【導讀】隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展,開關(guān)穩(wěn)壓電源正朝著小型化、高頻化、集成化的方向發(fā)展,高效率的開關(guān)穩(wěn)壓電源已得到越來越廣泛的應用。
本文首先概述開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理,接著介紹電流型脈寬調(diào)制器UC3842芯片,著重論述了UC3842在開關(guān)穩(wěn)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(gòu)成和參數(shù)計算。
開關(guān)電源的基本工作原理
相對于線性穩(wěn)壓電源功耗較大的缺點,開關(guān)電源的效率可達90%以上,而且造價低、體積小。開關(guān)電源的工作原理如圖1所示,它由調(diào)整管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準源等構(gòu)成。
在圖1中,三角波發(fā)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(diào)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(diào)整管的截至時間為toff。為了穩(wěn)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(lián)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(diào)整管的導通時間減小,輸出電壓下降,起到穩(wěn)壓的作用。如果忽略電感的直流電阻,那么輸出電壓Vo為調(diào)整管發(fā)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(guān)電源的工作原理
UC3842的工作原理
UC3842是美國Unitorde公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該調(diào)制器單端輸出,能直接驅(qū)動雙極型的功率管或場效應管。其主要優(yōu)點是管腳數(shù)量少,外圍電路簡單,電壓調(diào)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(xiàn)與電網(wǎng)的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有溫度補償?shù)母咴鲆嬲`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(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本外圍電路如圖2所示。
圖2:UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǎn)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(gòu)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(guān)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(guān)斷。第7腳為輸入電壓,開關(guān)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(nèi)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(diào)制電路產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)6腳輸出驅(qū)動外接的開關(guān)功率管工作。功率管工作產(chǎn)生的信號經(jīng)取樣電路轉(zhuǎn)換為低壓直流信號反饋到3腳,維護系統(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經(jīng)2腳送到內(nèi)部的誤差比較放大器,與內(nèi)部的基準電壓進行比較,產(chǎn)生的誤差信號送到脈寬調(diào)制電路,完成脈沖寬度的調(diào)制,從而達到穩(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)制電路會使輸出脈沖的寬度變窄,則開關(guān)功率管的導通時間變短,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。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。
實際應用電路
圖3:開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)總體框圖
根據(jù)UC3842的特點,設計一個30~36V可調(diào)的開關(guān)型穩(wěn)壓電源,其總體結(jié)構(gòu)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(jīng)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(diào)制控制功率管的開關(guān)從而實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出??刂齐娐返暮诵氖荱C3842,其后級的高速開關(guān)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(shù)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(gòu)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(nèi)部的振蕩頻率最高可達500kHz。在本系統(tǒng)中RT和CT分別選用了10kΩ和0.045μF,根據(jù)公式:
可以計算得其工作頻率約為40kHz,符合開關(guān)電源的要求。在UC3842的2腳處接上一個10kΩ的電位器,通過調(diào)節(jié)電位器的阻值改變反饋電壓,使脈寬的占空比發(fā)生變化,從而可以實現(xiàn)輸出電壓30~36V的連續(xù)可調(diào)變化。
利用電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC3842為核心設計的開關(guān)穩(wěn)壓電源,電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、易實現(xiàn),并且可以克服電壓型脈寬調(diào)制器開關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率低和負載調(diào)整率低的缺點,具有廣闊的應用前景。