基于UC3842的开关电源保护电路的改进

摘要：论述了以电流控制型脉宽调制芯片UC3842构成的开关电源的原理，分析了其保护电路的缺陷，并提出了一种改进的方法。关键词：UC3842；开关电源；保护电路中图分类号：TN86 文献标识码：B 文章编号：0219 2713(2005）06一0044—03 0 引言 UC3842是美国Unltmde公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片，它具有管脚数量少，外围电路简单等特点，因而得到了广泛的应用。但随着UC3842开关频率的提高，由它所构成的开关电源的保护电路也出现了很多问题。本文分析了UC3842保护电路的缺陷及改进的方法。 1 UC3842的典型应用 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，保护芯片不致损坏。 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扦始下一次启动过程。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过流保护的缺陷 UC3842的过流保护功能是通过脚3实现的。当脚3上检测的电压高于lV时，就会使UC3842内部的比较器翻转，将PWM锁存器置零，使脉冲调制器处于关闭状态，从而实现了电路的过流保护。由于检测电阻能感应出峰值电感电流，所以自然形成逐个脉冲限流电路，只要检测电阻上的电平达到lV，脉宽调制器立即关闭，因此这种峰值电感电流检测技术可以精确限制输出的最大电流，使得开关电源中的磁性元件和功率器件不必设计较大的余量，就能保证稳压电源的工作可靠。但是，通常我们采用的采样电阻都是金属膜或氧化膜电阻，这种电阻是有感的，当电流流过取样电阻时，就会感生一定的感性电压。这个电感分量在高频时呈现的阻抗会很大，因此它将消耗很大的功率。随着频率的增加，流过取样电阻的电流有可能在下一个振荡周期到来之前还没放完，取样电阻承受的电流将越来越大，这样将会引起UC3842的误操作，甚至会引起炸机。因此，UC3842的这种过流保护功能有时难以起到很好的保护作用，存在着一定的缺陷。 2.3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。 4 实验结果 图4给出了UC3842检测电阻的电压波形和采样信号波形。从图4中可以看出，经过改进后的电路，其采样信号的波形紧紧跟随检测电阻的电压波形，没有出现非常大的尖峰电压。因此，该电路能有效避免因变压器漏感等异常干扰引起的电源误操作的问题，也能有效避免因电源占空比过大而引起的系统不稳定的问题。 5 结语 UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器，但在实际的应用过程中，它的保护电路存在着一定的缺陷，因此，在电源的设计过程中，必须对其保护电路进行改进。实验证明，经过改进后的保护电路使系统性能更加稳定可靠。