UC3842原理及应用.docx

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UC3842原理及应用

UC3842的工作原理及3842在开关电源中的应用

电流控制型脉宽调制器UC3842工作原理及应用

UC3842是美国Unitrode公司（该公司现已被TI公司收购）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，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEF和IGBT等功率型半导体器件，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，广泛应用于计算机、显示器等系统电路中作开关电源驱动器件。

1UC3842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1UC3842内部原理框图

2UC3842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、L1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、R4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、C8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、R8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、C9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。

图2UC3842构成的开关电源

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。

电流控制型脉宽调制器UC3842在开关电源中的应用

开关稳压电源被誉为“新型高效节能电源”，它代表着稳压电源的发展方向。

由于内部器件工作在高频开关状态，因此本身消耗的能量极低，电源效率可以达到80%以上，比串连调整线性稳压电源的效率提高近一倍。

随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、集成化的方向发展，高效率的开关稳压电源已得到越来越广泛的应用。

本文首先概述开关稳压电源的基本工作原理，接着介绍电流型脉宽调制器UC3842芯片，着重论述了UC3842在开关稳压电源中的应用，并以一个实际应用实例分析了电源电路的构成和参数计算。

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。

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。

图2UC3842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

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。

图4UC3842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0.045μF，根据公式：

可以计算得其工作频率约为40kHz，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。

结语

利用UC3842设计的电流制型脉宽调制开关稳压电源，克服了电压控制型脉宽调制开关稳压电源频响慢、电压调整率和负载调整率低的缺点，电路结构简单，成本低、体积小、易实现。

该稳压电源是目前实用和理想的稳压电源，具有很大的发展前景。

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。

   1UC3842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。

   2UC3842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。

UC3842构成的电源在彩显中占有绝大部分比例，下面介绍一下它的检修方法。

    第一步：

首先判断是否是电源的故障。

    方法是断开行供电支路的负载，接上假负载。

用100W、200V灯泡并在滤波电压两端 即可。

开机看灯泡是否亮，若亮，负载有故障；若不亮再依次断开其他各路输出，分别开机，若断开哪路后开机，灯亮，则说明哪路有故障。

若所有路都断开灯不亮，则故障在电源。

    第二步：

检修电源

    1、测300V滤波电压两端是否有电压，若没有查保险丝、桥堆、滤波电压。

也可能电路板敷铜皮断裂，元件虚焊。

若保险丝烧黑则有严重短路。

还要查开关管、消磁电阻等。

    2、若300V正常，测UC3842（7）角电压为14V左右。

若没有查启动电阻，（7）脚滤波电压，反馈二极管，UC3842可能坏。

    3、若（7）脚电压正常，测（8）脚是否有+5V。

若无，则UC3842坏或外接保护电路坏。

若（8）脚电压低且不稳则电路可能有断路或短电路元件，一般小电阻、二极管、三极管场效应管等容易坏。