電流控制型脈寬調制器UC3842在開關電源中的應用

引言
開關穩壓電源被譽為“新型高效節能電源”，它代表著穩壓電源的發展方向。由于內部器件工作在高頻開關狀態，因此本身消耗的能量極低，電源效率可以達到80%以上，比串連調整線性穩壓電源的效率提高近一倍。隨著電源技術的飛速發展，開關穩壓電源正朝著小型化、高頻化、集成化的方向發展，高效率的開關穩壓電源已得到越來越廣泛的應用。本文首先概述開關穩壓電源的基本工作原理，接著介紹電流型脈寬調制器UC3842芯片，著重論述了UC3842在開關穩壓電源中的應用，并以一個實際應用實例分析了電源電路的構成和參數計算。

開關電源的基本工作原理
相對于線性穩壓電源功耗較大的缺點，開關電源的效率可達90%以上，而且造價低、體積小。開關電源的工作原理如圖1所示，它由調整管、濾波電路、比較器、三角波發生器、比較放大器和基準源等構成。
在圖1中，三角波發生器的輸出波形加到比較器的反相端，其同相端接比較放大器的輸出Vf。當三角波的幅度小于比較器的同相輸入時，比較器輸出高電平，對應調整管導通的時間為ton。反之，當三角波的幅度大于比較器的同相輸入時，對應調整管的截至時間為toff。為了穩定電壓輸出，按電壓負反饋方式引入反饋，以確定基準源和比較放大器之間的聯系。假設輸出電壓增加，則FVo增加，比較放大器的輸出Vf減小，那么比較器的輸出波形中toff增加，從而使調整管的導通時間減小，輸出電壓下降，起到穩壓的作用。如果忽略電感的直流電阻，那么輸出電壓Vo為調整管發射極電壓Ve的平均分量，于是有：

其中，q為占空比。在輸入電壓一定的時候，輸出電壓與占空比正比，通過改變比較器輸出波形的占空比就可以控制輸出電壓的幅值。

圖1 開關電源的工作原理

UC3842的工作原理
UC3842是美國Unitorde公司生產的一種性能優良的電流控制型脈寬調制芯片。該調制器單端輸出，能直接驅動雙極型的功率管或場效應管。其主要優點是管腳數量少，外圍電路簡單，電壓調整率可達0.01%，工作頻率高達500kHz，啟動電流小于1mA，正常工作電流為5mA，并可利用高頻變壓器實現與電網的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有溫度補償的高增益誤差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路。其內部結構及基本外圍電路如圖2所示。

圖2 UC3842的內部結構及基本外圍電路

UC3842是8腳的雙列直插的封裝形式。如圖2所示，第1腳為補償腳，內部誤差放大器的輸出端，外接阻容元件以確定誤差放大器的增益和頻響。第2腳是反饋腳，將采樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準電壓進行比較，產生誤差電壓，控制脈沖的寬度。第3腳為電流傳感端，在功率管的源極串接一個小阻值的采樣電阻，構成過流保護電路。當電源電壓異常時，功率管的電流增大，當采樣電阻上的電壓超過1V時，UC3842就停止輸出，有效地保護了功率管。第4腳為鋸齒振蕩器外部定時電阻R與定時電容C的公共端。第5腳為地。第6腳為圖騰柱式輸出電壓，當上面的三極管截止的時候下面的三極管導通，為功率管關斷時提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速了功率管的關斷。第7腳為輸入電壓，開關電源啟動的時候需要在該引腳加一個不低于16V的電壓，芯片工作后，輸入電壓可以在10～30V之間波動，低于10V時停止工作。第8腳為內部5.0V的基準電壓輸出，電流可達50mA。

電路上電時，外接的啟動電路通過引腳7提供芯片需要的啟動電壓。在啟動電源的作用下，芯片開始工作，脈沖寬度調制電路產生的脈沖信號經6腳輸出驅動外接的開關功率管工作。功率管工作產生的信號經取樣電路轉換為低壓直流信號反饋到3腳，維護系統的正常工作。電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號經2腳送到內部的誤差比較放大器，與內部的基準電壓進行比較，產生的誤差信號送到脈寬調制電路，完成脈沖寬度的調制，從而達到穩定輸出電壓的目的。如果輸出電壓由于某種原因變高，則2腳的取樣電壓也變高，脈寬調制電路會使輸出脈沖的寬度變窄，則開關功率管的導通時間變短，輸出電壓變低，從而使輸出電壓穩定，反之亦然。鋸齒波振蕩電路產生周期性的鋸齒波，其周期取決于4腳外接的RC網絡。所產生的鋸齒波送到脈沖寬度調制器，作為其工作周期，脈寬調制器輸出的脈沖周期不變，而脈沖寬度則隨反饋電壓的大小而變化。

實際應用電路

圖3 開關穩壓電源系統總體框圖

根據UC3842的特點，設計一個30～36V可調的開關型穩壓電源，其總體結構框圖如圖3所示。
交流輸入后通過整流濾波得到直流電壓，經過LM317后獲得16.5V的直流電壓，作為UC3842芯片的啟動電壓。芯片啟動后通過脈寬調制控制功率管的開關從而實現穩壓輸出。控制電路的核心是UC3842，其后級的高速開關功率管要求滿足一定的耐壓值和足夠大的額定電流。這里可以選用IRF540，其耐壓值高達100V，額定電流可以達到33A。高頻變壓器的升壓系數為1.2，采用雙橋間距為0.3mm的鐵氧鐵芯，由直徑0.65mm的銅絲繞制而成。高頻變壓器出來的脈動直流電壓，先通過二極管整理，再通過3個50V/3300μF的電解電容，和由一個33μH電感和2個104的電容構成∏型濾波器進行濾波后輸出。其UC3842的核心電路如圖4所示。

圖4 UC3842的核心電路圖

如圖4所示，UC3842的工作頻率由4腳和8腳間的RT和CT決定的。理論上，其內部的振蕩頻率最高可達500kHz。在本系統中RT和CT分別選用了10kΩ和0.045μF，根據公式：

可以計算得其工作頻率約為40kHz，符合開關電源的要求。在UC3842的2腳處接上一個10kΩ的電位器，通過調節電位器的阻值改變反饋電壓，使脈寬的占空比發生變化，從而可以實現輸出電壓30～36V的連續可調變化。

結語
利用電流控制型脈寬調制芯片UC3842為核心設計的開關穩壓電源，電路結構簡單、成本低、體積小、易實現，并且可以克服電壓型脈寬調制器開關穩壓電源頻響慢、電壓調整率低和負載調整率低的缺點，具有廣闊的應用前景。