UC3842內(nèi)部工作原理和應(yīng)用電路分析

1、 UC3842 內(nèi)部工作原理簡(jiǎn)介

圖1 示出了UC3842 內(nèi)部框圖和引腳圖，UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個(gè)引腳，各腳功能如下：

①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；

②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；

③腳為電流檢測(cè)輸入端， 當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；

④腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，f=1.8/(R_T×C_T)；

⑤腳為公共地端；

⑥腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns 驅(qū)動(dòng)能力為±1A ；

⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過(guò)壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；

⑧腳為5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA 的負(fù)載能力。

圖1 UC3842 內(nèi)部原理框圖

2 、UC3842 組成的開(kāi)關(guān)電源電路

圖2 是由UC3842 構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路，220V 市電由C₁、L₁濾除電磁干擾，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻R_t1限流，再經(jīng)VC 整流、C₂濾波，電阻R₁、電位器RP₁降壓后加到UC3842 的供電端（⑦腳），為UC3842 提供啟動(dòng)電壓，電路啟動(dòng)后變壓器的付繞組③④的整流濾波電壓一方面為UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)R₃、R₄分壓加到誤差放大器的反相輸入端②腳，為UC3842 提供負(fù)反饋電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。④腳和⑧腳外接的R₆、C₈決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達(dá)500KHz。R₅、C₆用于改善增益和頻率特性。⑥腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)R₇、R₈分壓后驅(qū)動(dòng)MOSFEF 功率管，變壓器原邊繞組①②的能量傳遞到付邊各繞組，經(jīng)整流濾波后輸出各數(shù)值不同的直流電壓供負(fù)載使用。電阻R₁₀用于電流檢測(cè)，經(jīng)R₉、C₉濾濾后送入U(xiǎn)C3842 的③腳形成電流反饋環(huán). 所以由UC3842 構(gòu)成的電源是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定度非常高，當(dāng)UC3842 的③腳電壓高于1V 時(shí)振蕩器停振，保護(hù)功率管不至于過(guò)流而損壞。

電路上電時(shí)，外接的啟動(dòng)電路通過(guò)引腳7提供芯片需要的啟動(dòng)電壓。在啟動(dòng)電源的作用下，芯片開(kāi)始工作，脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)6腳輸出驅(qū)動(dòng)外接的開(kāi)關(guān)功率管工作。功率管工作產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)取樣電路轉(zhuǎn)換為低壓直流信號(hào)反饋到3腳，維護(hù)系統(tǒng)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(hào)經(jīng)2腳送到內(nèi)部的誤差比較放大器，與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)送到脈寬調(diào)制電路，完成脈沖寬度的調(diào)制，從而達(dá)到穩(wěn)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(diào)制電路會(huì)使輸出脈沖的寬度變窄，則開(kāi)關(guān)功率管的導(dǎo)通時(shí)間變短，輸出電壓變低，從而使輸出電壓穩(wěn)定，反之亦然。鋸齒波振蕩電路產(chǎn)生周期性的鋸齒波，其周期取決于4腳外接的RC網(wǎng)絡(luò)。所產(chǎn)生的鋸齒波送到脈沖寬度調(diào)制器，作為其工作周期，脈寬調(diào)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。

圖2 UC3842 構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源

3 、電路的調(diào)試 此電路的調(diào)試需要注意：一是調(diào)節(jié)電位器RP₁使電路起振，起振電流在1mA左右；二是起振后變壓器③④繞組提供的直流電壓應(yīng)能使電路正常工作，此電壓的范圍大約為11～17V 之間；三是根據(jù)輸出電壓的數(shù)值大小來(lái)改變R_4，以確定其反饋量的大??；四是根據(jù)保護(hù)要求來(lái)確定檢測(cè)電阻R₁₀的大小，通常R₁₀是2W、1Ω以下的電阻。

用UC3842做的開(kāi)關(guān)電源的典型電路見(jiàn)圖①。

過(guò)載和短路保護(hù)，一般是通過(guò)在開(kāi)關(guān)管的源極串一個(gè)電阻（R4），把電流信號(hào)送到3842的第3腳來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)電源過(guò)載時(shí)，3842保護(hù)動(dòng)作，使占空比減小，輸出電壓降低，3842的供電電壓Vaux也跟著降低，當(dāng)?shù)偷?842不能工作時(shí)，整個(gè)電路關(guān)閉，然后靠R1、R2開(kāi)始下一次啟動(dòng)過(guò)程。這被稱為“打嗝”式（hiccup）保護(hù)。

在這種保護(hù)狀態(tài)下，電源只工作幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期，然后進(jìn)入很長(zhǎng)時(shí)間（幾百ms到幾s）的啟動(dòng)過(guò)程，平均功率很低，即使長(zhǎng)時(shí)間輸出短路也不會(huì)導(dǎo)致電源的損壞。由于漏感等原因，有的開(kāi)關(guān)電源在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期有很大的開(kāi)關(guān)尖峰，即使在占空比很小時(shí)，輔助電壓Vaux也不能降到足夠低，所以一般在輔助電源的整流二極管上串一個(gè)電阻（R3），它和C1形成RC濾波，濾掉開(kāi)通瞬間的尖峰。仔細(xì)調(diào)整這個(gè)電阻的數(shù)值，一般都可以達(dá)到滿意的保護(hù)。使用這個(gè)電路，必須注意選取比較低的輔助電壓Vaux，對(duì)3842一般為13～15V，使電路容易保護(hù)。

圖2、3、4是常見(jiàn)的電路。

圖2采取拉低第1腳的方法關(guān)閉電源。

圖3采用斷開(kāi)振蕩回路的方法。

圖4采取抬高第2腳，進(jìn)而使第1腳降低的方法。

注意電路中C4的作用，電源正常啟動(dòng)，光耦是不通的，因此靠C4來(lái)使保護(hù)電路延遲一段時(shí)間動(dòng)作。在過(guò)載或短路保護(hù)時(shí)，它也起延時(shí)保護(hù)的左右。在燈泡、馬達(dá)等啟動(dòng)電流大的場(chǎng)合，C4的取值也要大一點(diǎn)。

圖1是使用最廣泛的電路，然而它的保護(hù)電路仍有幾個(gè)問(wèn)題：

1. 在批量生產(chǎn)時(shí)，由于元器件的差異，總會(huì)有一些電源不能很好保護(hù)，這時(shí)需要個(gè)別調(diào)整R3的數(shù)值，給生產(chǎn)造成麻煩；2. 在輸出電壓較低時(shí)，如3.3V、5V，由于輸出電流大，過(guò)載時(shí)輸出電壓下降不大，也很難調(diào)整R3到一個(gè)理想的數(shù)值；3. 在正激應(yīng)用時(shí)，輔助電壓Vaux雖然也跟隨輸出變化，但跟輸入電壓HV的關(guān)系更大，也很難調(diào)整R3到一個(gè)理想的數(shù)值。這時(shí)如果采用輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)關(guān)斷，會(huì)達(dá)到更好的效果。輔助關(guān)斷電路的實(shí)現(xiàn)原理：在過(guò)載或短路時(shí)，輸出電壓降低，電壓反饋的光耦不再導(dǎo)通，輔助關(guān)斷電路當(dāng)檢測(cè)到光耦不再導(dǎo)通時(shí)，延遲一段時(shí)間就動(dòng)作，關(guān)閉電源。

通常，PWM型開(kāi)關(guān)電源把輸出電壓的采樣作為PWM控制器的反饋電壓，該反饋電壓經(jīng)PWM控制器內(nèi)部的誤差放大器后，調(diào)整開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。但不同的電壓反饋電路，其輸出電壓的穩(wěn)定精度是不同的。

1 概述

本文首先對(duì)電流型脈寬控制器UC3842（內(nèi)部電路圖如圖1所示）常用的三種穩(wěn)定輸出電壓電路作了介紹，分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新的電壓反饋電路，實(shí)驗(yàn)證明這種新的電路具有很好的穩(wěn)壓效果。

2、 UC3842常用的電壓反饋電路

2.1 輸出電壓直接分壓作為誤差放大器的輸入

如圖2所示，輸出電壓Vo經(jīng)R2及R4分壓后作為采樣信號(hào)，輸入U(xiǎn)C3842腳2（誤差放大器的反向輸入端）。誤差放大器的正向輸入端接UC3842內(nèi)部的2.5V的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)采樣電壓小于2.5V時(shí)，誤差放大器正向和反向輸出端之間的電壓差經(jīng)放大器放大后，調(diào)節(jié)輸出電壓，使得UC3842的輸出信號(hào)的占空比變大，輸出電壓上升，最終使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的電壓值。R3與C1并聯(lián)構(gòu)成電流型反饋。

這種電路的優(yōu)點(diǎn)是采樣電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是輸入電壓和輸出電壓必須共地，不能做到電氣隔離。勢(shì)必 引起電源布線的困難，而且電源工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，容易引起電磁干擾，必然帶來(lái)電路設(shè)計(jì)的困難，所以這種方法很少使用。

2.2 輔助電源輸出電壓分壓作為誤差放大器的輸入

如圖3所示，當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，單端反激式變壓器T的輔助繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也升高，該電壓經(jīng)過(guò)D2，D3，C15，C14，C13和R15組成的整流、濾波和穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)后得到一直流電壓，給UC3842供電。同時(shí)該電壓經(jīng)R2及R4分壓后作為采樣電壓，送入U(xiǎn)C3842的腳2，在與基準(zhǔn)電壓比較后，經(jīng)誤差放大器放大，使腳6輸出脈沖的占空比變小，輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。同樣，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，使腳6輸出脈沖的占空比變大，輸出電壓上升，最終使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的值。

這種電路的優(yōu)點(diǎn)是采樣電路簡(jiǎn)單，副邊繞組、原邊繞組和輔助繞組之間沒(méi)有任何的電氣通路，容易布線。缺點(diǎn)是并非從副邊繞組直接得到采樣電壓，穩(wěn)壓效果不好，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電源的負(fù)載變化較大時(shí)，基本上不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。該電路適用于針對(duì)某種固定負(fù)載的情況。

2.3 采用線性光耦改變誤差放大器的輸入誤差電壓

如圖4所示，該開(kāi)關(guān)電源的電壓采樣電路有兩路：一是輔助繞組的電壓經(jīng)D1，D2，C1，C2，C3，R9組成的整流、濾波和穩(wěn)壓后得到16V的直流電壓給UC3842供電，另外，該電壓經(jīng)R2及R4分壓后得到一采樣電壓，該路采樣電壓主要反映了直流母線電壓的變化；另一路是光電耦合器、三端可調(diào)穩(wěn)壓管Z和R4，R5，R6，R7，R8組成的電壓采樣電路，該路電壓反映了輸出電壓的變化；當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，經(jīng)電阻R7及R8分壓后輸入Z的參考電壓也升高，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值升高，流過(guò)光耦中發(fā)光二極管的電流減小，流過(guò)光耦中的光電三極管的電流也相應(yīng)的減小，誤差放大器的輸入反饋電壓降低，導(dǎo)致UC3842腳6輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比變小，于是輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

該電路因?yàn)椴捎昧?a target="_blank">光電耦合器，實(shí)現(xiàn)了輸出和輸入的隔離，弱電和強(qiáng)電的隔離，減少了電磁干擾，抗干擾能力較強(qiáng)，而且是對(duì)輸出電壓采樣，有很好的穩(wěn)壓性能。缺點(diǎn)是外接元器件增多，增加了布線的困難，增加了電源的成本。

3 、線性光耦改變誤差放大器增益電壓反饋電路及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 采用線性光耦改變誤差放大器的增益

如圖5所示，該電壓采樣及反饋電路由R2，R5，R6，R7，R8，C1，光電耦合器、三端可調(diào)穩(wěn)壓管Z組成。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，輸出電壓經(jīng)R7及R8分壓得到的采樣電壓（即Z的參考電壓）也升高，Z的穩(wěn)壓值也升高，流過(guò)光耦中發(fā)光二極管中的電流減小，導(dǎo)致流過(guò)光電三極管中的電流減小，相當(dāng)于C1并聯(lián)的可變電阻的阻值變大（該等效電阻的阻值受流過(guò)發(fā)光二極管電流的控制），誤差放大器的增益變大，導(dǎo)致UC3842腳6輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比變小，輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，誤差放大器的增益變小，輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)占空比變大，最終使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的值。因?yàn)?，UC3842的電壓反饋輸入端腳2接地，所以，誤差放大器的輸入誤差總是固定的，改變的是誤差放大器的增益（可將線性光耦中的光電三極管視為一可變電阻），其等效電路圖如圖6所示。

該電路通過(guò)調(diào)節(jié)誤差放大器的增益而不是調(diào)節(jié)誤差放大器的輸入誤差來(lái)改變誤差放大器的輸出，從而改變開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅外接元器件較少，而且在電壓采樣電路中采用了三端可調(diào)穩(wěn)壓管，使得輸出電壓在負(fù)載發(fā)生較大的變化時(shí)，輸出電壓基本上沒(méi)有變化。實(shí)驗(yàn)證明與上述三種反饋電路相比，該電路具有很好的穩(wěn)壓效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將這種新的采用線性光耦改變誤差放大器增益的電壓反饋電路，用于一48V/12V的單端反激式DC/DC開(kāi)關(guān)電源（最大輸出電流5A），顯示該電源輸出電壓穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)。圖7(a)－(h)分別給出了當(dāng)負(fù)載為100Ω，25Ω，10Ω，3Ω時(shí)的輸出電壓和驅(qū)動(dòng)波形，從波形可以看出，當(dāng)負(fù)載電流逐漸增大時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比相應(yīng)增大，但輸出電壓始終穩(wěn)定在12.16V。

4、 結(jié)語(yǔ)

在單端隔離式PWM型電源中，電流型脈寬調(diào)制器UC3842有著廣闊的應(yīng)用范圍，本文在分析了三種常用的電壓反饋電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的采用線性光耦改變UC3842誤差放大器增益的電壓反饋電路。實(shí)驗(yàn)證明，新的電壓反饋電路使得穩(wěn)壓精度高，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。