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一种以UC3842为核心设计的开关稳压电源设计

 长风石皮浪 2013-02-07

开关电源的基本工作原理

  相对于线性稳压电源功耗较大的缺点,开关电源的效率可达90%以上,而且造价低、体积小。开关电源的工作原理如图1所示,它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等构成。

  在图1中,三角波发生器的输出波形加到比较器的反相端,其同相端接比较放大器的输出Vf。当三角波的幅度小于比较器的同相输入时,比较器输出高电平,对应调整管导通的时间为ton。反之,当三角波的幅度大于比较器的同相输入时,对应调整管的截至时间为toff。为了稳定电压输出,按电压负反馈方式引入反馈,以确定基准源和比较放大器之间的联系。假设输出电压增加,则FVo增加,比较放大器的输出Vf减小,那么比较器的输出波形中toff增加,从而使调整管的导通时间减小,输出电压下降,起到稳压的作用。如果忽略电感的直流电阻,那么输出电压Vo为调整管发射极电压Ve的平均分量,于是有:

  其中,q为占空比。在输入电压一定的时候,输出电压与占空比正比,通过改变比较器输出波形的占空比就可以控制输出电压的幅值。

开关电源的工作原理
图1:开关电源的工作原理

UC3842的工作原理

  UC3842是美国Unitorde公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该调制器单端输出,能直接驱动双极型的功率管或场效应管。其主要优点是管脚数量少,外围电路简单,电压调整率可达0.01%,工作频率高达500kHz,启动电流小于1mA,正常工作电流为5mA,并可利用高频变压器实现与电网的隔离。该芯片集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路。其内部结构及基本外围电路如图2所示。

UC3842的内部结构及基本外围电路
图2:UC3842的内部结构及基本外围电路

  UC3842是8脚的双列直插的封装形式。

  如图2所示,第1脚为补偿脚,内部误差放大器的输出端,外接阻容元件以确定误差放大器的增益和频响。

  第2脚是反馈脚,将采样电压加到误差放大器的反相输入端,再与同相输入端的基准电压进行比较,产生误差电压,控制脉冲的宽度。

  第3脚为电流传感端,在功率管的源极串接一个小阻值的采样电阻,构成过流保护电路。当电源电压异常时,功率管的电流增大,当采样电阻上的电压超过1V时,UC3842就停止输出,有效地保护了功率管。

  第4脚为锯齿振荡器外部定时电阻R与定时电容C的公共端。

  第5脚为地。

  第6脚为图腾柱式输出电压,当上面的三极管截止的时候下面的三极管导通,为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路,加速了功率管的关断。

  第7脚为输入电压,开关电源启动的时候需要在该引脚加一个不低于16V的电压,芯片工作后,输入电压可以在10~30V之间波动,低于10V时停止工作。

  第8脚为内部5.0V的基准电压输出,电流可达50mA。

  电路上电时,外接的启动电路通过引脚7提供芯片需要的启动电压。在启动电源的作用下,芯片开始工作,脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经6脚输出驱动外接的开关功率管工作。功率管工作产生的信号经取样电路转换为低压直流信号反馈到3脚,维护系统的正常工作。电路正常工作后,取样电路反馈的低压直流信号经2脚送到内部的误差比较放大器,与内部的基准电压进行比较,产生的误差信号送到脉宽调制电路,完成脉冲宽度的调制,从而达到稳定输出电压的目的。如果输出电压由于某种原因变高,则2脚的取样电压也变高,脉宽调制电路会使输出脉冲的宽度变窄,则开关功率管的导通时间变短,输出电压变低,从而使输出电压稳定,反之亦然。锯齿波振荡电路产生周期性的锯齿波,其周期取决于4脚外接的RC网络。所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器,作为其工作周期,脉宽调制器输出的脉冲周期不变,而脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。

实际应用电路

开关稳压电源系统总体框图
图3:开关稳压电源系统总体框图

  根据UC3842的特点,设计一个30~36V可调的开关型稳压电源,其总体结构框图如图3所示。

  交流输入后通过整流滤波得到直流电压,经过LM317后获得16.5V的直流电压,作为UC3842芯片的启动电压。芯片启动后通过脉宽调制控制功率管的开关从而实现稳压输出。控制电路的核心是UC3842,其后级的高速开关功率管要求满足一定的耐压值和足够大的额定电流。这里可以选用IRF540,其耐压值高达100V,额定电流可以达到33A。高频变压器的升压系数为1.2,采用双桥间距为0.3mm的铁氧铁芯,由直径0.65mm的铜丝绕制而成。高频变压器出来的脉动直流电压,先通过二极管整理,再通过3个50V/3300μF的电解电容,和由一个33μH电感和2个104的电容构成∏型滤波器进行滤波后输出。其UC3842的核心电路如图4所示。

UC3842的核心电路图
图4:UC3842的核心电路图

  如图4所示,UC3842的工作频率由4脚和8脚间的RT和CT决定的。理论上,其内部的振荡频率最高可达500kHz。在本系统中RT和CT分别选用了10kΩ和0.0022μF,根据公式:  1.72/RtCt.(Rt小于5k时,公式为

 
        可以计算得其工作频率约为60kHz,符合开关电源的要求。在UC3842的2脚处接上一个10kΩ的电位器,通过调节电位器的阻值改变反馈电压,使脉宽的占空比发生变化,从而可以实现输出电压30~36V的连续可调变化。

        利用电流控制型脉宽调制芯片UC3842为核心设计的开关稳压电源,电路结构简单、成本低、体积小、易实现,并且可以克服电压型脉宽调制器开关稳压电源频响慢、电压调整率低和负载调整率低的缺点,具有广阔的应用前景。

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UC3842的原理及应用详解

1、 UC3842 内部工作原理简介 


图1 示出了UC3842 内部框图和引脚图,UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式,共有8 个引脚,各脚功能如下:

①脚是误差放大器的输出端,外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性;

②脚是反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较,产生误差电压,从而控制脉冲宽度;

③脚为电流检测输入端, 当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态;

④脚为定时端,内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定,f=1.8/(RT×CT);

⑤脚为公共地端;

⑥脚为推挽输出端,内部为图腾柱式,上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为±1A ;

⑦脚是直流电源供电端,具有欠、过压锁定功能,芯片功耗为15mW;

⑧脚为5V 基准电压输出端,有50mA 的负载能力。  

图1 UC3842 内部原理框图

2 、UC3842 组成的开关电源电路 

   图2 是由UC3842 构成的开关电源电路,220V 市电由C1、L滤除电磁干扰,负温度系数的热敏电阻Rt1 限流,再经VC 整流、C2 滤波,电阻R1、电位器RP1 降压后加到UC3842 的供电端(⑦脚),为UC3842 提供启动电压,电路启动后变压器的付绕组③④的整流滤波电压一方面为UC3842 提供正常工作电压,另一方面经R3、R分压加到误差放大器的反相输入端②脚,为UC3842 提供负反馈电压,其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小,以此稳定输出电压。④脚和⑧脚外接的R6、C决定了振荡频率,其振荡频率的最大值可达500KHz。R5、C6用于改善增益和频率特性。⑥脚输出的方波信号经R7、R分压后驱动MOSFEF 功率管,变压器原边绕组①②的能量传递到付边各绕组,经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。电阻R10 用于电流检测,经R9、C滤滤后送入UC3842 的③脚形成电流反馈环. 所以由UC3842 构成的电源是双闭环控制系统,电压稳定度非常高,当UC3842 的③脚电压高于1V 时振荡器停振,保护功率管不至于过流而损坏。

  电路上电时,外接的启动电路通过引脚7提供芯片需要的启动电压。在启动电源的作用下,芯片开始工作,脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经6脚输出驱动外接的开关功率管工作。功率管工作产生的信号经取样电路转换为低压直流信号反馈到3脚,维护系统的正常工作。电路正常工作后,取样电路反馈的低压直流信号经2脚送到内部的误差比较放大器,与内部的基准电压进行比较,产生的误差信号送到脉宽调制电路,完成脉冲宽度的调制,从而达到稳定输出电压的目的。如果输出电压由于某种原因变高,则2脚的取样电压也变高,脉宽调制电路会使输出脉冲的宽度变窄,则开关功率管的导通时间变短,输出电压变低,从而使输出电压稳定,反之亦然。锯齿波振荡电路产生周期性的锯齿波,其周期取决于4脚外接的RC网络。所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器,作为其工作周期,脉宽调制器输出的脉冲周期不变,而脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。


3 、电路的调试 

  此电路的调试需要注意:一是调节电位器RP1使电路起振,起振电流在1mA左右;二是起振后变压器③④绕组提供的直流电压应能使电路正常工作,此电压的范围大约为11~17V 之间;三是根据输出电压的数值大小来改变R4,以确定其反馈量的大小;四是根据保护要求来确定检测电阻R10 的大小,通常R10 是2W、1Ω以下的电阻。 

                                                         图2 UC3842 构成的开关电源


UC3842开关电源保护的几个技巧

  用UC3842做的开关电源的典型电路见图1。

  过载和短路保护,一般是通过在开关管的源极串一个电阻(R4),把电流信号送到3842的第3脚来实现保护。当电源过载时,3842保护动作,使占空比减小,输出电压降低,3842的供电电压Vaux也跟着降低,当低到3842不能工作时,整个电路关闭,然后靠R1、R2开始下一次启动过程。这被称为“打嗝”式(hiccup)保护。

  在这种保护状态下,电源只工作几个开关周期,然后进入很长时间(几百ms到几s)的启动过程,平均功率很低,即使长时间输出短路也不会导致电源的损坏。由于漏感等原因,有的开关电源在每个开关周期有很大的开关尖峰,即使在占空比很小时,辅助电压Vaux也不能降到足够低,所以一般在辅助电源的整流二极管上串一个电阻(R3),它和C1形成RC滤波,滤掉开通瞬间的尖峰。仔细调整这个电阻的数值,一般都可以达到满意的保护。使用这个电路,必须注意选取比较低的辅助电压Vaux,对3842一般为13~15V,使电路容易保护。

  图2、3、4是常见的电路。

  图2采取拉低第1脚的方法关闭电源。

  

  图3采用断开振荡回路的方法。

  图4采取抬高第2脚,进而使第1脚降低的方法。

  注意电路中C4的作用,电源正常启动,光耦是不通的,因此靠C4来使保护电路延迟一段时间动作。在过载或短路保护时,它也起延时保护的左右。在灯泡、马达等启动电流大的场合,C4的取值也要大一点。

  图1是使用最广泛的电路,然而它的保护电路仍有几个问题:

  1. 在批量生产时,由于元器件的差异,总会有一些电源不能很好保护,这时需要个别调整R3的数值,给生产造成麻烦; 
  2. 在输出电压较低时,如3.3V、5V,由于输出电流大,过载时输出电压下降不大,也很难调整R3到一个理想的数值; 
  3. 在正激应用时,辅助电压Vaux虽然也跟随输出变化,但跟输入电压HV的关系更大,也很难调整R3到一个理想的数值。 
  这时如果采用辅助电路来实现保护关断,会达到更好的效果。辅助关断电路的实现原理:在过载或短路时,输出电压降低,电压反馈的光耦不再导通,辅助关断电路当检测到光耦不再导通时,延迟一段时间就动作,关闭电源。


  通常,PWM型开关电源把输出电压的采样作为PWM控制器的反馈电压,该反馈电压经PWM控制器内部的误差放大器后,调整开关信号的占空比以实现输出电压的稳定。但不同的电压反馈电路,其输出电压的稳定精度是不同的。

      1 概述

      本文首先对电流型脉宽控制器UC3842(内部电路图如图1所示)常用的三种稳定输出电压电路作了介绍,分析其各自的优缺点,在此基础上设计了一种新的电压反馈电路,实验证明这种新的电路具有很好的稳压效果。

内部电路图

      2、 UC3842常用的电压反馈电路

  2.1 输出电压直接分压作为误差放大器的输入

  如图2所示,输出电压Vo经R2及R4分压后作为采样信号,输入UC3842脚2(误差放大器的反向输入端)。误差放大器的正向输入端接UC3842内部的2.5V的基准电压。当采样电压小于2.5V时,误差放大器正向和反向输出端之间的电压差经放大器放大后,调节输出电压,使得UC3842的输出信号的占空比变大,输出电压上升,最终使输出电压稳定在设定的电压值。R3与C1并联构成电流型反馈。

  这种电路的优点是采样电路简单,缺点是输入电压和输出电压必须共地,不能做到电气隔离。势必 引起电源布线的困难,而且电源工作在高频开关状态,容易引起电磁干扰,必然带来电路设计的困难,所以这种方法很少使用。

输出电压Vo经R2及R4分压后作为采样信号

 2.2 辅助电源输出电压分压作为误差放大器的输入

     如图3所示,当输出电压升高时,单端反激式变压器T的辅助绕组上产生的感应电压也升高,该电压经过D2,D3,C15,C14,C13和R15组成的整流、滤波和稳压网络后得到一直流电压,给UC3842供电。同时该电压经R2及R4分压后作为采样电压,送入UC3842的脚2,在与基准电压比较后,经误差放大器放大,使脚6输出脉冲的占空比变小,输出电压下降,达到稳压的目的。同样,当输出电压降低时,使脚6输出脉冲的占空比变大,输出电压上升,最终使输出电压稳定在设定的值。

  这种电路的优点是采样电路简单,副边绕组、原边绕组和辅助绕组之间没有任何的电气通路,容易布线。缺点是并非从副边绕组直接得到采样电压,稳压效果不好,实验中发现,当电源的负载变化较大时,基本上不能实现稳压。该电路适用于针对某种固定负载的情况。

当输出电压升高时

  2.3 采用线性光耦改变误差放大器的输入误差电压

  如图4所示,该开关电源的电压采样电路有两路:一是辅助绕组的电压经D1,D2,C1,C2,C3,R9组成的整流、滤波和稳压后得到16V的直流电压给UC3842供电,另外,该电压经R2及R4分压后得到一采样电压,该路采样电压主要反映了直流母线电压的变化;另一路是光电耦合器、三端可调稳压管Z和R4,R5,R6,R7,R8组成的电压采样电路,该路电压反映了输出电压的变化;当输出电压升高时,经电阻R7及R8分压后输入Z的参考电压也升高,稳压管的稳压值升高,流过光耦中发光二极管的电流减小,流过光耦中的光电三极管的电流也相应的减小,误差放大器的输入反馈电压降低,导致UC3842脚6输出驱动信号的占空比变小,于是输出电压下降,达到稳压的目的。

  该电路因为采用了光电耦合器,实现了输出和输入的隔离,弱电和强电的隔离,减少了电磁干扰,抗干扰能力较强,而且是对输出电压采样,有很好的稳压性能。缺点是外接元器件增多,增加了布线的困难,增加了电源的成本。

该开关电源的电压采样电路有两路

3 、线性光耦改变误差放大器增益电压反馈电路及实验结果

 3.1 采用线性光耦改变误差放大器的增益

  如图5所示,该电压采样及反馈电路由R2,R5,R6,R7,R8,C1,光电耦合器、三端可调稳压管Z组成。当输出电压升高时,输出电压经R7及R8分压得到的采样电压(即Z的参考电压)也升高,Z的稳压值也升高,流过光耦中发光二极管中的电流减小,导致流过光电三极管中的电流减小,相当于C1并联的可变电阻的阻值变大(该等效电阻的阻值受流过发光二极管电流的控制),误差放大器的增益变大,导致UC3842脚6输出驱动信号的占空比变小,输出电压下降,达到稳压的目的。当输出电压降低时,误差放大器的增益变小,输出的开关信号占空比变大,最终使输出电压稳定在设定的值。因为,UC3842的电压反馈输入端脚2接地,所以,误差放大器的输入误差总是固定的,改变的是误差放大器的增益(可将线性光耦中的光电三极管视为一可变电阻),其等效电路图如图6所示。

该电压采样及反馈电路由R2

  该电路通过调节误差放大器的增益而不是调节误差放大器的输入误差来改变误差放大器的输出,从而改变开关信号的占空比。这种拓扑结构不仅外接元器件较少,而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管,使得输出电压在负载发生较大的变化时,输出电压基本上没有变化。实验证明与上述三种反馈电路相比,该电路具有很好的稳压效果。

等效电路图

 
      3.2 实验结果

  将这种新的采用线性光耦改变误差放大器增益的电压反馈电路,用于一48V/12V的单端反激式DC/DC开关电源(最大输出电流5A),显示该电源输出电压稳定,带负载能力强。图7(a)-(h)分别给出了当负载为100Ω,25Ω,10Ω,3Ω时的输出电压和驱动波形,从波形可以看出,当负载电流逐渐增大时,驱动信号的占空比相应增大,但输出电压始终稳定在12.16V。


  4、 结语

  在单端隔离式PWM型电源中,电流型脉宽调制器UC3842有着广阔的应用范围,本文在分析了三种常用的电压反馈电路的基础上,设计了一种新的采用线性光耦改变UC3842误差放大器增益的电压反馈电路。实验证明,新的电压反馈电路使得稳压精度高,负载适应性强。

(a)-(h)分别给出了当负载为100Ω,25Ω,10Ω,3Ω时的输出电压和驱动波形


简单介绍一下uc3842好坏的判断方法

  在更换完外围损坏的元器件后,先不装开关管,加电测uc38427脚电压,若电压在10-17V间波动,其余各脚也分别有波动的电压,则说明电路已起振,uc3842基本正常;7脚电压低,其余管脚无电压或不波动,uc3842已损坏. 

  上电测试输出,若有输出电平则说明管子正常,测试6脚与5脚电阻,如果非常小说明管子损坏

  在UC384275脚间外加+17V左右的直流电压,若测8脚有+5V电压,1246脚也有不同的电压,UC3842基本正常,工作电流小,自身不易损坏.它损坏的最常见原因是电源开关管短路后,高电压从G极加到其6脚而致使其烧毁.

一款用UC3842设计的电动车充电器工作原理分析(附图)      

    UC3842工作原理:

    该电路的电源部分使用单端式脉宽调制型开关电源,脉宽调制IC使用的是UC3842。UC3842是一种电流型脉宽控制器,它可以直接驱动MOS管、IGBT等,适合于制作单端电路。

    220V整流滤波后的约300V直流电压经电阻R1降压后加到UC3842的供电端(7端),为UC3842提供启动电压,UC3842内部设有欠压锁定电路,其开启和关闭阈值分别为16V和10V。在开启之前,UC3842消耗的电流在1mA以内。启动正常工作后,它的消耗电流约为15mA。反馈绕组为其提供维持正常工作电压。由于漏感等原因,开关电源在每个开关周期有很大的开关尖峰,即使在占空比很小时,辅助电压也不能降到足够低,所以辅助电源的整流二极管上串一个电阻(R3),它和C9形成RC滤波,滤掉开通瞬间的尖峰。 接在4脚的R5、C6决定了开关电源的工作频率。计算公式为:Fosc (kHz) = 1.72 / (RT (k) × CT (uf)),此电路的工作频率为40KHz。

   过载和短路保护,通过在开关管的源极串一个电阻(R12),把电流信号经R10、R11送到3842的第3脚来实现保护。当电源过载时,3842保护动作,使占空比减小,输出电压降低,3842的供电电压也跟着降低,当低到3842不能工作时,整个电路关闭,然后靠R1开始下一次启动过程。在这种保护状态下,电源只工作几个开关周期,然后进入很长时间(约

500ms)的启动过程,平均功率很低,即使长时间输出短路也不会导致电源的损坏。 

   稳压过程:

   UC3842的2脚是电压检测端。输出电压经R18、R19、W1分压为U4(TL431)参考端(1脚)提供参考电压。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。内部含有一个2.5V的基准电压,所以当在参考端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极(3脚)到阳极(2脚)很宽范围的分流,控制输出电压。若输出电压增大,反馈量增大,TL431的分流也就增加。线性光耦(U2)的发光二极管亮度增加,输出电阻减小。UC3842的2脚电压升高,驱动脉宽减小。最终使电压稳定下来。 

   充电过程:

   当BATT+、BATT-接上畜电池时,畜电池正端经R13、D10使K1吸合。充电回路闭合,畜电池开始充电。当畜电池接反时,由于D10反向截止,K1不会吸合,充电回路处于断开状态。不会烧坏R14、D7、D8、C11等元件。

    刚充电时,畜电池电压很低,充电电流会很大。R14两端的压降大于U3A的2脚R23、R24的分压电压,U3A输出高电平,D13(红色,充电指示灯)亮。当充电电流达到1.8A时,R14两端的压降等于U5A的3脚R30、R31的分压电压,U5A开始起控。只要输出电流有一点增加,U5A的1脚随即输出低电平,U2的1、2脚电流增加,4、5脚电阻减小,U1的2脚电压升高,输出电压下降,最终使电流恒定在1.8A。

    随着充电时间的增加,畜电池的电压也渐渐上升,当充电电压达到最高充电电压(44V)时。U4的参考端电压将达到2.5V,U4开始起控,使电压稳定下来。调节W1可以微调电压值。此时电流不再恒定,而是渐渐减小。U5A也不再起控,一直处于高电平输出状态,由于D17的反向截止,不会影响输出电压。

    当充电电流小于0.4A时,R14两端的压降小于U3A的2脚R23、R24的分压电压,U3A输出低电平,D13灭。此时U3B的5脚电压高于6脚电压,7脚输出高电平,D14(绿色,电源/浮充指示灯)亮,表示已充满,进入浮充状态。同时经R27限流,D15稳压,通过R28、D9、W2使U4的参考端电压增加,从而使最大充电电压降为浮充电压。调节W2可微调浮充电压。

 

UC3842的开关电源保护电路的改进

    UC3842的典型应用电路如图l所示。该电路主要由桥式整流电路,高频变压器,MOS功率管以及电流型脉宽调制芯片UC3842构成。其工作原理为:220V的交流电经过桥式整流滤波电路后,得到大约+300V的直流高压,这一直流电压被M0S功率管斩波并通过高频变压器降压,变成频率为几十kHz的矩形波电压,再经过输出整流滤波,就得到了稳定的直流输出电压。其中高频变压器的自馈线圈N2中感应的电压,经D2整流后所得到的直流电压被反馈到UC3842内部的误差放大器并和基准电压比较得到误差电压Vr,同时在取样电阻R11上建立的直流电压也被反馈到UC3842电流测定比较器的同柑输入端,这个检测电压和误差电压Vt相比较,产生脉冲宽度可调的驱动信号,用来控制开关功率管的导通和关断时间,以决定高频变压器的通断状态,从而达到输出稳压的目的。图l中,R5用来限制C8产生的充电峰值电流。考虑到Vi及Vref上的噪声电压也会影响输出的脉冲宽度,因此,在UC3842的脚7和脚8上分别接有消噪电容C4和C2。R7是MOS功率管的栅极限流电阻。另外,在UC3842的输入端与地之间,还有34V的稳压管,一旦输入端出现高压,该稳压管就被反向击穿,将Vi钳位于34V,保护芯片不致坏。         

2 UC3842保护电路的缺陷 
      2.l 过载保护的缺陷 
      当电源过载或输出短路时,UC3842的保护电路动作,使输出脉冲的占空比减小,输出电压降低,UC3842的供电电压也跟着降低,当低到UC3842不能工作时,整个电路关闭,然后通过R6开始下一次启动过程。这种保护被称为“打嗝”式(hiccup)保护。在这种保护状态下,电源只工作几个开关周期,然后进入很长时间(几百ms到几s)的启动过程,因此,它的平均功率很低。但是,由于变压器存在漏感等原因,有的开关电源在每个开关周期都有很高的开关尖峰电压,即使在占空比很小的情况下,辅助供电电压也不能降到足够低,所以不能实现理想的保护功能。  

 2.2电路稳定性的缺陷 
      在图l所示的电路中,当电源的占空比大于50%,或变压器工作在连续电流条件下时,整个电路就会产生分谐波振荡,引起电源输出的不稳定。图2表示了变压器中电感电流的变化过程。没在t0时刻,开关开始导通,使电感电流以斜率m1上升,该斜率是输入电压除以电感的函数。t1时刻,电流取样输入达到由控制电压建立的门限,这导致开关断开,电流以斜率m2衰减,直至下一个振荡周期。如果此时有一个扰动加到控制电压上,那么它将产生一个△I,这样我们就会发现电路存在着不稳定的情况,即在一个固定的振荡器周期内,电流衰减时闸减少,最小电流开关接通时刻t2上升了△I+△Im2/m1,最小电流在下一个周期t3减小到(△I+△Im2/m4)(m2/m1),在每一个后续周期,该扰动m2/m1被相乘,在开关接通时交替增加和减小电感电流,也许需要几个振荡器周期才能使电感电流为零,使过程重新开始,如果m2/m1大于l,变换器将会不稳定。因此,图l所示的电路在某状态下存在着一定的失稳隐患。

 

3 保护电路的改进 
       针对上述分析,改进电路如图3所示,该电路具有以下特点。

 

       1)通过在UC3842的采样电压处接入一个射极跟随器,从而在控制电压上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡,它可以在后续的周期内将△I扰动减小到零。因此,即使系统工作在占空比大于50%或连续的电感电流条件下,系统也不会出现不稳定的情况。不过该补偿斜坡的斜率必须等于或略大于m2/2,系统才能具有真正的稳定性。 

       2)取样电阻改用无感电阻。无感电阻是一种双线并绕的绕线电阻,其精度高且容易做到大功率。采用无感电阻后,其阻抗不会随着频率的增加而增加。这样,即使在高频情况下取样电阻所消耗的功率也不会超过它的标称功率,因此也就不会出现炸机现象。

       3)反馈电路改用TL43l加光耦来控制。我们都知道放大器用作信号传输时都需要传输时间,并不是输出与输入同时建立。如果把反馈信号接到UC3842的电压反馈端,则反馈信号需连续通过两个高增益误差放大器,传输时间增长。由于TL431本身就是一个高增益的误差放大器,因此,在图3中直接采用脚1做反馈,从UC3842的脚8(基准电压脚)拉了一个电阻到脚l,脚2通过R18接地。这样做的好处是,跳过了UC3842的内部放大器,从而把反馈信号的传输时间缩短了一半,使电源的动态响应变快。另外,直接控制UC3842的脚l还可简化系统的频率补偿以及输出功率小等问题。


  UC3842工作原理 下图为UC3842 内部框图和引脚图,UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式,共有8 个引脚,各脚功能如下: ① 脚是误差放大器的输出端,外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性; ② ②脚是反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较,产生误差电压,从而控制脉冲宽度; ③ ③脚为电流检测输入端, 当检测电压超过1V时缩小脉

UC3842工作原理 
  下图为UC3842 内部框图和引脚图,UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式,共有8 个引脚,各脚功能如下: 
① 脚是误差放大器的输出端,外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性; 
② ②脚是反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较,产生误差电压,从而控制脉冲宽度; 
③ ③脚为电流检测输入端, 当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态; 
④ ④脚为定时端,内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定,f=1.8/(RT×CT); 
⑤ ⑤脚为公共地端; 
⑥ ⑥脚为推挽输出端,内部为图腾柱式,上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为±1A ; 
⑦ ⑦脚是直流电源供电端,具有欠、过压锁定功能,芯片功耗为15mW; 
⑧ ⑧脚为5V 基准电压输出端,有50mA 的负载能力。 
 
UC3842 内部原理框图 
  UC3842是一种性能优异、应用广泛、结构较简单的PWM开关电源集成控制器,由于它只有一个输出端,所以主要用于音端控制的开关电源。 
UC3842 7脚为电压输入端,其启动电压范围为16-34V。在电源启动时,VCC﹤16V,输入电压施密物比较器输出为0,此时无基准电压产生,电路不工作;当Vcc﹥16V时输入电压施密特比较器送出高电平到5V蕨稳压器,产生5V基准电压,此电压一方面供销内部电路工作,另一方面通过⑧脚向外部提供参考电压。一旦施密特比较器翻转为高电平(芯片开始工作以后),Vcc可以在10V-34V范围内变化而不影响电路的工作状态。当Vcc低于10V时,施密特比较器又翻转为低电平,电路停止工作。 
  当基准稳压源有5V基准电压输出时,基准电压检测逻辑比较器即达出高电平信号到输出电路。同时,振荡器将根据④脚外接Rt、Ct参数产生f=/Rt.Ct的振荡信号,此信号一路直接加到图腾柱电路的输入端,另一路加到PWM脉宽市制RS触发器的置位端,RS型PWN脉宽调制器的R端接电流检测比较器输出端。R端为占空调节控制端,当R电压上升时,Q端脉冲加宽,同时⑥脚送出脉宽也加宽(占空比增多);当R端电压下降时,Q端脉冲变窄,同时⑥脚送出脉宽也变变窄(占空比减小)。UC3842各点时序如图所示,只有当E点为高电平时才有信号输出 ,并且a、b点全为高电平时,d点才送出高电平,c点送出低电平,否则d点送出低电平,c点送出高电平。②脚一般接输出电压取样信号,也称反馈信号。当②脚电压上升时,①脚电压将下降,R端电压亦随之下降,于是⑥脚脉冲变窄;反之,⑥脚脉冲变宽。③脚为电流传感端,通常在功率管的源极或发射极串入一小阻值取样电阻,将流过开关管的电流转为电压,并将此电压引入境脚。当负载短路或其它原因引起功率管电流增加,并使取样电阻上的电压超过1V时,⑥脚就停止脉冲输出,这样就可以有效的保护功率管不受损坏。 
UC3842应用电路图: 
 

开关电源3842检修流程
 
使用3842的开关电源外围大同小异,检修方法基本一样, 
以下流程检修的前提:开关管无短路,开关管对地限流保护电阻无开路,在通电时开关管不会马上击穿,切记: 
1、先测3842(7)脚的15V供电是否正常: 
没有电压,就检查启动电阻,或启动电路(部分机型7脚供电使用单独的一个二极管整流),或7脚对地稳压管短路; 
有电压但是高,换(7)脚对地滤波电容,100UF/50V; 
有电压但是电压低且波动,3842的调整电路故障。 
2、7脚电压正常;关机测300V电压消失速度: 
能很快消失,那电源起振,检查(3)脚对地1K电阻和对地稳压管; 
电压不消失,故障点为3842未起振,检查3842(1)(2)脚外围电阻、电位器和更换3842自身。 
3、7脚电压低且波动: 
重点检查FBT同步反馈电路的二极管; 
有光耦的机型检查后级光耦输入端,重点检查IC(LM431)周边。 
UC3842系列构成的电源结构简单、保护性能完善』特别适用于小型化』因此他代替了很多数字仪表、家电、办公设备中的线性电源。 
UC3842主要有振荡器、误差放大器、电流检测比较和锁存、欠压封锁、输出电路、基准电压电路等组成。片内可调的充放电振荡电路可精确的控制占空比』振荡器的工作频率由外接定时电容和电子决定。采用电流操作』并可在500KHZ以下工作』内有5伏精密基准电压具有完备的欠压、过压及过流保护。启动阀值为16伏』关闭为10伏。6伏的关闭差值』有效的防止电路在阀值附近产生振荡。 
UC3842的管脚功能: 
1、 补偿脚』是误差放大器的输出端』用于回路补偿。2、电压反馈脚』是误差放大器的返相输入端』他通常通过电阻分压器与输出端相连。3、电流检测脚。4、振荡。通过外间RC控制振荡频率和最大输出占空比』频率可达500KHZ。5、接地脚。6、输出。此脚直接驱动场效应管的栅极』此脚变换的峰值电流可达1A。7、电源脚。是芯片的正电源。8、基准电压输出端通过电阻给振荡电容提供充电电流。 
下边是3842构成一典型电源 
 


  启动电路由R517、ZD520等组成』市电经D512、514、515、516、C510整流滤波后因R517直接给IC502的7脚提供一17伏左右的启动电压』ZD502的参与有效的防止了高电压对IC502的冲击』有效的保护了IC502。 

  由于7脚得到了额定的工作电压IC502其内部电路开始工作』6脚输出开关脉冲』通过R520驱动开关管Q520的栅极』使Q520进入了周期性的振荡状态』此时IC502的工作电压便有开关变压器T501的1-2绕组的感应脉冲经D502、C521等整流滤波后提供』这样更利于了IC502内部欠压、过压功能的实现。同时这个电压又经过R507、R508分压、VR501、R525取样后加到IC502的2脚』经内部电路比较放大后控制6脚输出脉冲的宽度』以达到自动稳压的目的。 

  R523是电路的过流取样电阻』当负载电流增大时』R523两端的电压升高』这个升高的电压经R522加到了IC502的3脚控制其内部电路以达到过流保护的目的。 
对于易损件的分析: 

  我们在维修中都有这样的经验』往往那些电压高、电流大、发热量的区域都是故障的高发区域。这个规律适用于大多数的电子电路』在显示器电源电路中首当其冲的就是开关管』虽然3842有着完善的保护功能』但在实际中开关管击穿、炸裂等故障还是比比皆是』出现这些情况』过流取样电阻大多都脱不了关系』所以在遇到这些情况的时候』顺便检查一下此电阻可不要忘记。由于此电阻阻值小』要求精度高』当我们更换有关电路的其他元件时』由于这些元件参数的差异 也可能导致过流电路的误动作』此时我们应精细的调整阻值。

  对于保险丝完好』元件没有明显热损坏的三无机器』我们应首先测量3842的7脚工作电压』常见故障有R517启动电阻断路』18伏稳压管击穿等』C521是3842的电源滤波电容』虽然他出现故障相对少一些』但他促成的一些故障现象更应注意』他容量的大小及漏电程度的大小可造成式输出电压高、启动难、不启动等一系列故障。 

  7脚电压正常6脚无输出』大多都是保护电路动作了』我们通过测量2、3脚电压很容易就能区分出来』在保护取样电路中半可变电阻容易随着时间的推移而出现接触不良致使电压升高』或电压不稳定』对于过流保护的电阻』他的重要性我们前面已说过。R520的阻值变大容易造成开关管发热量大的故障』遇到过热的毛病不防查他一下。 

  有些机器开机即烧管』浪费了我我们大量的时间和金钱』对于这样的机器我们可先不上开关管』通过测量3842的各脚电压来确定他的工作状态是否正常』一般来说1脚0.6-2伏、2脚2伏左右、3脚0伏、4脚1伏左右、5脚0伏、6脚0.5-2伏左右、7脚在12伏左右跳动』8脚在2 伏左右。由于各机型参数不尽相同』可能会有些差异。只要在正常范围内就可接管进行试验』但不要忘了采取一些保护措施。 

  以下是几种由3842构成的电源』虽然在辅助电路上各部分相同』但万变不离其宗』你可以对照着比较一下』这样对于以后分析电路也许有点帮助。以上分析如有错误敬请同行指正』期待着与大家共同进步! 
 


UC3842 的原理与实践 

  采用UC3842的电流控制型开关电源,比如电脑显示器的电路

  电压控制型开关电源会对开关电流失控,不便于过流保护,并且响应慢、稳定性差。与之相比,电流控制型开关电源是一个电压、电流双闭环控制系统,能克服电流失控的缺点,并且性能可靠、电路简单。据此,我们用UC3842芯片设计了一个电流控制型开关电源。为了提高输出电压的精度,系统没有采用离线式结构,而采用直接反馈式结构。本系统在设计上充分考虑了电磁兼容性和安全性,可广泛应用于工业、家电、视听和照明设备。

电流控制型开关电源的原理框图
  电流型控制是针对电压型控制的缺点而发展起来的,在保留了电压控制型的输出电压反馈控制部分外,又增加了一个电流反馈环节,其原理框如图1所示。

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图1 电流控制型开关电源的原理框图

  电流控制型开关电源是一个电压、电流双闭环控制系统,内环为电流控制环,外环为电压控制环。当U O变化导致UF变化,或I变化导致US变化时,都会使PWM电路的输出脉冲占空比发生变化,从而改变UO,达到输出电压稳定的目的。

电流型控制芯片UC3842
  UC3842是一块功能齐全、较为典型的单端电流型PWM控制集成电路,内包含误差放大器、电流检测比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。它提供8端口双列直插塑料封装和14端口塑料表面贴装封装,内部结构如图2所示。

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图2 UC3842内部电路

8端口双列直插塑料封装的UC3842各管端口功能简介。
①端口COMP是内部误差放大器的输出端。
②端口VFB是反馈电压输入端,与内部误差放大器同相输入端的+2.5V基准电压进行比较,产生误差电压,控制脉冲的宽度。
③端口ISENSE是电流传感端。在应用电路中,在MOSFET的源极串接一个小阻值的取样电阻,将脉冲变压器的电流转换成电压并送入③端口,控制脉冲的宽度。
④端口RT/CT是定时端。锯齿波振荡器的振荡频率f=1.8/(RT·CT),电流模式工作频率可达500kHz。
⑤端口GND是接地。
⑥端口OUTPUT是输出端,此端口为图腾柱式输出,驱动电流的峰值高达l.0A。
⑦端口VCC是电源。当供电电压低于16V时,UC3824不工作,此时耗电在1mA以下。芯片工作后,输入电压可在10~30V之间波动,工作电流约为15mA。
⑧端口VREF是基准电压输出,可输出精确的+5V基准电压,电流可达50mA。 
  
UC3842构成电流控制型开关电源
1 电路组成
UC3842构成的电流控制型开关电源电路如图3所示。

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图3 UC3842构成电流控制型开关电源


2 工作原理
  220V交流电先通过滤波网络滤掉各种干扰。电阻R1主要用来消除断电瞬间残留的电压,热敏电阻RT1可以限制浪涌电流,压敏电阻VDR保护电路免受雷电的冲击。然后,再经过B1整流、C4滤波,获得约300V直流电压后分两路输出:一路经开关变压器T加到MOSFET Q1的漏极,另一路经R3加到C17的正端。当C17的正端电位升到≥R16时,⑦端口得工作电压,UC3842电路启动,⑥端口电位上升,Q1开始导通,同时⑧端口的5V电压通过内电路建立。C17容量最好在lO0μF以上,否则电源将出现打嗝现象。C12滤波电容消除在开关时会产生尖峰脉冲,C11为消噪电容,R6、C13决定锯齿波振荡器的振荡频率,R9、C15用来确定误差放大器的增益和频响。C14起斜坡补偿作用,能提高采样电压的可靠性。正常工作后,线圈N2上的高频电压经过D2、R17、C18、D3为UC3842提供工作电压。

  当开关管导通时,整流电压加在开关变压器初级绕组上的电能变成磁能储存在开关变压器中。开关管截止后,能量通过次级绕组释放到负载上。D7、D8是脉冲整流二极管,C7、R5吸收旁路开机瞬间出现的脉冲电流,L3、C8、C9、C10组成滤波电路。输出电压可由下式描述。
UO=UI(TON/KTOFF)
  式中,UO为输出电压,UI为整流电压,K为变压器的变压比,TON为Q1的导通时间,TOFF为Q2的截止时间。

  由上式可知,输出电压和开关管的导通时间及输入电压成正比,与变压器的变压比及开关管的截止时间成反比。C16、R12、D5用来限制栅极电压和电流,进而改善Q1开关速度,有利于改善电磁兼容性。R13主要来防止Q1栅极悬空,D1、R4、C5和D6、R16、C20构成两级吸收回路,用于吸收尖峰电压,防止Q1损坏。
系统中的稳压电路有:
● 电流反馈电路。Q1源极串接取样电阻R15,把电流信号变为电压信号,送入UC3842内部的电流检测比较器同相端。当Q1导通,电流斜率上升时,取样电阻R15的电压增加。一旦R15的电压等于电流检测比较器反相端的电压,内部触发器复位,Q1截止,即实现了以电流控制⑥端口激励脉冲的占空比来稳定输出电压。C19用来抑制取样电流的尖脉冲。
● 电压反馈电路。主要由可编程精密稳压器TL431和线性光电耦合器PC817组成。输出电压经R21、R22分压后得到取样电压,送到可编程精密稳压器TL431的参考端口,改变R21、R22的阻值,使TL431的稳压值变化,即可改变开关电源的输出电压。C21、R19对可编程精密稳压器TI431内部放大器进行相位补偿。系统通过改变光电耦合器U2的发光强度来改变UC3842反馈端电压以实现稳压。当输出电压升高时,TL431两端的电压UKA保持不变,光电耦合器控制端电流增大,②端口反馈端电压值随之增大,UC3842内部的电流检测比较器反相端的电压变低,输出端⑥端口的脉冲信号占空比变低,开关管的导通时间减少,输出电压降低;反之,如果输出电压下降时,UC3842的输出脉冲占空比增大,输出电压增高,达到稳压目的。另一方面,⑦端口电源电压由D2整流、C18滤波产生,反映了输出电压的变化,起到反馈作用,使输出电压稳定。

● 电路有前馈线调整功能。在负载不变时,输入电压突然增加,开关变压器的感应电流由于输入电压增加而迅速斜升,因反馈信号和误差信号尚未改变,限流作用发生比较快,故脉冲宽度变得比较窄。所以,市电的变化在影响输出之前己被补偿,即提高了对输入电压的响应速度。

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图4 斜率补偿

  当系统工作在占空比大于50%或连续电感电流条件下,会产生谐波振荡,它是由固定频率和峰值电流取样同时工作所引起,图4A显示了这种现象。在t0时刻,Q1导通,电感电流以斜率m1上升,t1时刻,电流取样输入到达由控制电压建立的门限。这导致Q1截止,电流以斜率m2下降,直至下一个振荡周期。如果系统有一个扰动加到控制电压上,产生一个小的△I(图中虚线),系统将不稳定。

  为了能使系统在占空比大于50%或连续电感电流条件下仍能可靠工作,将④端口的锯齿波电压通过射极跟随器Q2送入③端口,从而在电流取样端上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡,可以在后续周期将△I扰动减小至零,如图4B所示。该补偿斜坡的斜率必须等于或略大于m2/2,系统才具有稳定性。
系统设计的保护电路有:
● 输出过压保护电路Ⅰ。当输出电压较高,通过电压反馈电路使得②端口电压超过2.5V时,内部触发器复位,外接Q1截止,达到输出过压保护的目的。
● 输出过压保护电路Ⅱ。当输出电压升高,高于D9的击穿电压时,稳压二极管D9击穿,可控硅SCR触发导通,使光电耦合器二极管的负端电压降为0V,光电耦合器饱和,②端口电压为最大值,Q1一直截止,达到输出过压保护的目的。
● 输出过流、过载保护电路。在电路过流、过载时,输出电压降低,Q3、D4、R8构成次级过流、过载保护电路。当次级未过载时,Q3、D4截止;当次级过载时,Q3、D4导通,④端口电位下降,锯齿波振荡器停振,达到过流、过载保护的目的。
● Q1过流保护电路。当电源电压异常时,开关回路的电流增大,取样电阻R15上的电压超过1V时,内部触发器复位,外接Q1截止,有效地保护了Q1。

结论
  本系统采用UC3842设计的电流控制型开关电源,克服了电压控制型开关电源电压调整率和负载调整率差的缺点,并且性能可靠,电路简单。该电源是20~80W的小功率开关电源的理想电源。


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