1、电流型 PWM 集成控制器 UC3842/UC3843 的隔离单端反激式开关电源开关电源以其高效率、小体积等优点获得了广泛应用。传统的开关电源普遍采用电压型脉宽调制(PWM)技术，而近年电流型 PWM 技术得到了飞速发展。相比电压型 PWM，电流型 PWM 具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性也得以明显改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。 电流型 PWM 集成控制器已经产品化，极大推动了小功率开关电源的发展和应用，电流型 PWM 控制小功率电源已经取代电压型 PWM 控制小功率电源。Unitrode 公司推出的 UC3842 系列控制芯片是电流
2、型 PWM 控制器的典型代表。 DC/DC 转换器 转换器是开关电源中最重要的组成部分之一，其有 5 种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图 1 所示。 图 1 电路结构图电路工作过程如下：当 M1 导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管 VD 处于反偏压状态，所以二极管 VD 截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当 M1 截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使 VD 导通，给输出电容 C 充电，同时负载 R 上也有电流 I 流过。M1 导通与截止的等效拓扑如图 2
3、 所示。 图 2 M1 导通与截止的等效拓扑电流型 PWM 与电压型 PWM 比较，电流型 PWM 控制在保留了输出电压反馈控制外，又增加了一个电感电流反馈环节，并以此电流反馈作为 PWM 所必须的斜坡函数。 下面分析理想空载下电流型 PWM 电路的工作情况(不考虑互感 )。电路如图 3 所示。设 V 导通，则有 LdiL/dt = ui (1) iL 以斜率 ui/L 线性增长，L 为 T1 原边电感。经无感电阻 R1 采样 Ud=R1iL 送到脉宽比较器 A2 与 Ue 比较，当 UdUe，A2 输出高电平，送到 RS 锁存器的复位端，此时或非门的两个输入中必有一个高电平，经过或非门输出低
4、电平关断功率开关管 V。当时钟输出为高电平时，或非门输出始终为低电平，封锁 PWM，这段时间由时钟振荡器 OSC输出脉冲宽度决定，即 PWM 信号的死区时间。在振荡器输出脉冲下降同时，或非门两输入均为低电平，经或非门输出为高电平，V 导通。 图 3 理想空载下电流型 PWM 电路简言之，PWM 信号的上升沿由振荡器下降沿决定，而 PWM 的下降沿由电感电流限值信号和误差信号 Ue 共同决定，最大脉宽的下降沿受振荡器上升沿控制。图 4 为其工作时序图。 图 4 工作时序图UC3842 简介 Unitrode 公司的 UC3842 是一种高性能固定频率电流型控制器，包含误差放大器、 PWM 比较器
5、、PWM 锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元，其结构图如图 5 所示。 图 5 UC3842 结构图各管脚功能简介如下。 1 脚 COMP 是内部误差放大器的输出端，通常此脚与 2 脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。 2 脚 FEED BACK 是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压( 一般为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。 3 脚 ISENSE 是电流传感端。在外围电路中，在功率开关管(如 VMos 管)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，此电压送入 3 脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关
6、管的电流增大，当取样电阻上的电压超过 1V 时， UC3842 就停止输出，有效地保护了功率开关管。 4 脚 RT/CT 是定时端。锯齿波振荡器外接定时电容 C 和定时电阻 R 的公共端。 5 脚 GND 是接地。 6 脚 OUT 是输出端，此脚为图滕柱式输出，驱动能力是lA。这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管 VTl 截止时，VT2 导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。 7 脚 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。输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。芯片工作后，输入电压可在
7、+10+30V 之间波动，低于+10V 停止工作。工作时耗电约为 15mA，此电流可通过反馈电阻提供。 8 脚 VREF 是基准电压输出，可输出精确的+5V 基准电压，电流可达 50 mA。 UV3842 的电压调整率可达 0.01%，工作频率为 500kHz，启动电流小于 1mA，输入电压为 1030V，基准电压为 4.95.1V ，工作温度为 070，输出电流为 1A。 开关稳压电源 由 UC3842 构成的开关电源电路如图 6 所示，T 为高频变压器。刚开机时，220V 交流电先通过 PNF 滤掉射频干扰，再经过整流滤波获得约+300V 直流电压，然后经 R2 降压后向 UC3842 提
8、供+16V 启动电压。R1 是限流电阻，C1 为滤波电容。正常工作后，自馈线圈 N2 上的高频电压经过 VD1、C1 整流滤波，就作为 UC3842 的正常工作电压。R5、 C4 用以改善内部误差放大器的频率响应，R1 是斜坡补偿电阻。开关频率 。C5 为消噪电容，R10 是过流检测电阻，R7 是 VMOS 开关功率管的栅极限流电阻。由 C8、VD1、 R11、VD2、C9 构成两级吸收回路，用于吸收尖峰电压。 VD1和 VD3 选用恢复二极管 FR305。VD4 为输出级的整流管，采用肖特基二极管，以满足高频、大电流整流之需要。 图 6 UC3842 构成的开关电源电路当 NMOS 管导通时
9、，初级线圈 N1 电流线性增大，磁场增强，次级线圈中 VD4 截止，由电容 C10 向负载供电；此时，脉冲变压器原边回路中 VD2 亦截止，N1 这时起存储能量的作用。当 NMOS 管截止后，初级线圈电流减小，磁场减弱，次级线圈回路中 VD4 导通，能量通过 VD4 及 C10 向负载释放，输出直流电压，部分能量由 VD2 向电阻 R12和电容 C9 释放。 为保证开关电源输出直流电压不受干扰，电路中提供了稳压电路。一是采用 NMOS 管源极串接电阻 R9，把电流信号变为电压信号，送入 UC3842 作为比较电压，控制激励脉冲的占空比，达到稳压目的。二是变压器 T 中的线圈 N2 间接采样，起
10、到电压反馈作用，N2 间接采样后，经过 VD1 和 C3 整流，在 C3 上取样，该电压一方面经过 R3 和R4 分压送到 UC3842 的 2 管脚加到误差放大器 A3 的反相输入端，另一方面直接送到 UC3842 的 7 管脚，作为芯片供电电压。电路刚启动时由输入电压经整流滤波降压给芯片供电，工作后由反馈电压供电，因而 UC3842 的电源电压反映了输出电压的变化，起到反馈作用，使输出电压稳定。三是在 UC3842 中，锯齿波发生器输出锯齿波的斜率还与输入电压有关，当输入电压升高时锯齿波斜率增大，使输出激励脉冲占空比减小，从而使输出电压维持稳定，反之亦然，实际上相当于反馈控制。 总结 UC
11、3842 是目前流行的电流型 PWM 信号发生器，具有精度高、电压稳定、外围电路简单、价格低廉等优点，广泛应用在输出电压范围是 4.95.1V 、功率为 2060W 的小型功率开关电源中（二）一、UC3842 的内部结构和特点UC3842 是美国 Unitrode 公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。UC3842 为 8 脚双列直插式封装，其内部原理框图如图 1 所示。主要由 5.0V 基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM 锁存器、高增益 E/A 误差放大器和适用于驱动功率 MOSFET 的大电流推挽输出电路等构成。端 1 为 COM
12、P 端；端 2 为反馈端；端 3 为电流测定端；端 4 接 Rt、Ct 确定锯齿波频率；端 5 接地；端6 为推挽输出端，有拉、灌电流的能力；端 7 为集成块工作电源电压端，可以工作在 840V；端 8 为内部供外用的基准电压 5V，带载能力 50mA。二、电路结构与工作原理图 2 所示为笔者在实际工作中使用的电路图。输入电压为 24V 直流电。三路直流输出，分别为+5V/4A，+12V/0.3A 和-12V/0.3A。所有的二极管都采用快速反应二极管，核心 PWM 器件采用 UC3842。开关管采用快速大功率场效应管。 2.1 启动过程首先由电源通过启动电阻 R1 提供电流给电容 C2 充电
13、，当 C2 电压达到 UC3842 的启动电压门槛值 16V 时，UC3842 开始工作并提供驱动脉冲，由 6 端输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端标识情况，此时变压器各路副边没有能量输出。当 6 脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供能量。同时反馈线圈向 UC3842 供电。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，如图 3 所示。在开启之前，UC3842 消耗
14、的电流在 1mA 以内。电源电压接通之后，当 7 端电压升至 16V 时 UC3842 开始工作，启动正常工作后，它的消耗电流约为 15mA。因为 UC3842 的启动电流在 1mA 以内，设计时参照这些参数选取 R1，所以在 R1 上的功耗很小。 当然，若 VCC 端电压较小时，在 R1 上的压降很小，全部供电工作都可由 R1 降压后来完成。但是，通常情况下，VCC端电压都比较大，这样完全通过 R1 来提供正常工作电压就会使 R1 自身功耗太大，对整个电源来说效率太低。一般来说，随着 UC3842 的启动，R1 的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压来为 UC3842
15、 供电。故 R1 的功率不必选得很大，1W 、2W 就足够了。笔者认为，虽然理论上 UC3842 启动电流在 1mA 以内，但实际应用时，按 1.62.0mA 设计则工作比较便利。即当 VCC 端电压为 U 伏时。2.2 稳压过程从图 2 中可知，当场效应管导通时，整流电压加在变压器 T 初级绕组 Np 上的电能变成磁能储存在变压器中，在场效应管导通结束时，Np 绕组中电流达到最大值 Ipmax，根据法拉第电磁感应定律：式中： E整流电压；Lp 变压器初级绕组电感；Ton场效应管导通时间。 在场效应管关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值 Ismax，若忽略各种损耗应为式中：n变压器变比，n
16、=Np/Ns，Np、Ns 为变压器初、次级绕组匝数。高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等：式中：Ls变压器次级绕组电感；Uo输出电压； Toff场效应管关闭时间。 上式说明，输出电压 Uo 与 Ton 成正比，与匝比 n 及 Toff 成反比。比如，由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压降低时，反馈线圈的输出电压则会变低，从而使 2 端电压变低，则脉宽调制器会相应的增大输出 PWM 波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变长；反之，当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小 PWM 输出脉冲波形的占空比，使大功率晶
17、体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。UC3842 为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整占空比，控制场效应管的导通时间。反馈电压输入 2 脚，此脚电压与内部 2.5V 基准进行比较，产生控制电压，从而控制脉冲宽度；输出脉冲的频率由 4 脚外接定时电阻 Rt 及定时电容 Ct 决定，f 的单位取 k，Ct 取 F。3 脚为电感电流传感器端，当取样超过 1V 时，缩小导通脉宽，使电源处于间隙工作状态；6 脚，输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅 50ns，驱动能力为1A；7 脚，供电输入，起振后工作电压为 1013V，低于 10V 停止工作，功耗为 15mW；8 脚
18、，内部基准 5V(50mA)。2.3 过流保护原理当负载电流超过额定值或短路时，场效应管电流增加，R9 上的电压反馈至 3 脚(电压大于 1V)，通过内部电流放大器使导通宽度变窄，输出电压下降，直至使 UC3842 停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止，达到保护功率管的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。2.4 过压保护原理当因某种原因使输出电压过高时，由反馈绕组形成的电压也高，从而使 2 脚的电压过高，内部保护电路起动，使 6 脚输出脉冲高电平时间变短，或不输出高电平使开关管截止。2.5 开关管保护电路由 D3、R10、C1 及 R11、C14、D4 构成，消除由变压器漏感产生
19、的反峰电压，从而使开关工作电压不至于太高而毁坏。三、设计中的注意事项3.1 起动电路的设计电路如图 4 所示，电容 C2 储存的能量要能满足电源开始正常工作的需要，使得 UC3842 第 7 脚有稳定、充足的输入供给。即电容 C2 的放电时间要大于 UC3842 输出脉冲的高电平持续时间。否则，电源将出现打嗝现象。因此，电容 C2 的容量和质量的选取非常重要。笔者在实际设计过程中，C2 曾用 100F 铝电解电容，经常发现电源打嗝；测量反馈端电压，总是太低，以至于反馈端的整流二极管都没有工作，说明反馈端电压幅度不够。原因在于 C2 容量不够，不能提供足够的能量来使 UC3842 充分工作，因此
20、，容量最好在 100F 以上。3.2 反馈绕组的设计当 UC3842 启动后，若反馈绕组不能提供足够的 UF，电路就会不停地起动，出现打嗝现象。另外，根据笔者的经验，若 UF 大于 17.5V 时，也会引起 UC3842 工作异常，导致输出脉冲占空比变小，输出电压变低。故而反馈绕组匝数的选取及其缠绕是非常重要的，一般可按 1315V 设计，使 UC3842 正常工作时，7 脚的电压维持在 13V 左右。 四、结束语UC3842 是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比 D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。UC3842 可以直接驱动MOS 管、 IGBT 等，适合于制作 2080W 小功率开关电源。由于器件设计巧妙，由主电源电压直接启动，构成电路所需元件少，非常符合电路设计中“简洁至上”的原则。
