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一种以UC3842为核心设计的开关稳压电源设计

2017-12-27 10:51 PM| 发布者: admin| 查看: 1627| 评论: 0

摘要: UC3842工作原理  下图为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 ...

UC3842工作原理 
  下图为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 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 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 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 ⑤脚为公共地端; 
⑥ 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 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 ⑧脚为5V 基准电压输出端,有50mA 的负载能力。 
 
UC3842 内部原理框图 
  UC3842是一种性能优异、应用广泛、结构较简单的PWM开关电源集成控制器,由于它只有一个输出端,所以主要用于音端控制的开关电源。 
UC3842 7脚为电压输入端,其启动电压范围为16-34V。在电源启动时,VCC﹤16V,输入电压施密物比较器输出为0,此时无基准电压产生,电路不工作;当Vcc﹥16V时输入电压施密特比较器送出高电平到5V蕨稳压器,产生5V基准电压,此电压一方面供销内部电路工作,另一方面通过⑧脚向外部提供参考电压。一旦施密特比较器翻转为高电平(芯片开始工作以后),Vcc可以在10V-34V范围内变化而不影响电路的工作状态。当Vcc低于10V时,施密特比较器又翻转为低电平,电路停止工作。 
  当基准稳压源有5V基准电压输出时,基准电压检测逻辑比较器即达出高电平信号到输出电路。同时,振荡器将根据④脚外接Rt、Ct参数产生f=/Rt.Ct的振荡信号,此信号一路直接加到图腾柱电路的输入端,另一路加到PWM脉宽市制RS触发器的置位端,RS型PWN脉宽调制器的R端接电流检测比较器输出端。R端为占空调节控制端,当R电压上升时,Q端脉冲加宽,同时⑥脚送出脉宽也加宽(占空比增多);当R端电压下降时,Q端脉冲变窄,同时⑥脚送出脉宽也变变窄(占空比减小)。UC3842各点时序如图所示,只有当E点为高电平时才有信号输出 ,并且a、b点全为高电平时,d点才送出高电平,c点送出低电平,否则d点送出低电平,c点送出高电平。②脚一般接输出电压取样信号,也称反馈信号。当②脚电压上升时,①脚电压将下降,R端电压亦随之下降,于是⑥脚脉冲变窄;反之,⑥脚脉冲变宽。③脚为电流传感端,通常在功率管的源极或发射极串入一小阻值取样电阻,将流过开关管的电流转为电压,并将此电压引入境脚。当负载短路或其它原因引起功率管电流增加,并使取样电阻上的电压超过1V时,⑥脚就停止脉冲输出,这样就可以有效的保护功率管不受损坏。 
UC3842应用电路图: 
 

开关电源3842检修流程
 
使用3842的开关电源外围大同小异,检修方法基本一样, 
以下流程检修的前提:开关管无短路,开关管对地限流保护电阻无开路,在通电时开关管不会马上击穿,切记: 
1、先测3842(7)脚的15V供电是否正常: 
没有电压,就检查启动电阻,或启动电路(部分机型7脚供电使用单独的一个二极管整流),或7脚对地稳压管短路; 
有电压但是高,换(7)脚对地滤波电容,100UF/50V; 
有电压但是电压低且波动,3842的调整电路故障。 
2、7脚电压正常;关机测300V电压消失速度: 
能很快消失,那电源起振,检查(3)脚对地1K电阻和对地稳压管; 
电压不消失,故障点为3842未起振,检查3842(1)(2)脚外围电阻、电位器和更换3842自身。 
3、7脚电压低且波动: 
重点检查FBT同步反馈电路的二极管; 
有光耦的机型检查后级光耦输入端,重点检查IC(LM431)周边。 
UC3842系列构成的电源结构简单、保护性能完善』特别适用于小型化』因此他代替了很多数字仪表、家电、办公设备中的线性电源。 
UC3842主要有振荡器、误差放大器、电流检测比较和锁存、欠压封锁、输出电路、基准电压电路等组成。片内可调的充放电振荡电路可精确的控制占空比』振荡器的工作频率由外接定时电容和电子决定。采用电流操作』并可在500KHZ以下工作』内有5伏精密基准电压具有完备的欠压、过压及过流保护。启动阀值为16伏』关闭为10伏。6伏的关闭差值』有效的防止电路在阀值附近产生振荡。 
UC3842的管脚功能: 
1、 补偿脚』是误差放大器的输出端』用于回路补偿。2、电压反馈脚』是误差放大器的返相输入端』他通常通过电阻分压器与输出端相连。3、电流检测脚。4、振荡。通过外间RC控制振荡频率和最大输出占空比』频率可达500KHZ。5、接地脚。6、输出。此脚直接驱动场效应管的栅极』此脚变换的峰值电流可达1A。7、电源脚。是芯片的正电源。8、基准电压输出端通过电阻给振荡电容提供充电电流。 
下边是3842构成一典型电源 
 


  启动电路由R517、ZD520等组成』市电经D512、514、515、516、C510整流滤波后因R517直接给IC502的7脚提供一17伏左右的启动电压』ZD502的参与有效的防止了高电压对IC502的冲击』有效的保护了IC502。 

  由于7脚得到了额定的工作电压IC502其内部电路开始工作』6脚输出开关脉冲』通过R520驱动开关管Q520的栅极』使Q520进入了周期性的振荡状态』此时IC502的工作电压便有开关变压器T501的1-2绕组的感应脉冲经D502、C521等整流滤波后提供』这样更利于了IC502内部欠压、过压功能的实现。同时这个电压又经过R507、R508分压、VR501、R525取样后加到IC502的2脚』经内部电路比较放大后控制6脚输出脉冲的宽度』以达到自动稳压的目的。 

  R523是电路的过流取样电阻』当负载电流增大时』R523两端的电压升高』这个升高的电压经R522加到了IC502的3脚控制其内部电路以达到过流保护的目的。 
对于易损件的分析: 

  我们在维修中都有这样的经验』往往那些电压高、电流大、发热量的区域都是故障的高发区域。这个规律适用于大多数的电子电路』在显示器电源电路中首当其冲的就是开关管』虽然3842有着完善的保护功能』但在实际中开关管击穿、炸裂等故障还是比比皆是』出现这些情况』过流取样电阻大多都脱不了关系』所以在遇到这些情况的时候』顺便检查一下此电阻可不要忘记。由于此电阻阻值小』要求精度高』当我们更换有关电路的其他元件时』由于这些元件参数的差异 也可能导致过流电路的误动作』此时我们应精细的调整阻值。

  对于保险丝完好』元件没有明显热损坏的三无机器』我们应首先测量3842的7脚工作电压』常见故障有R517启动电阻断路』18伏稳压管击穿等』C521是3842的电源滤波电容』虽然他出现故障相对少一些』但他促成的一些故障现象更应注意』他容量的大小及漏电程度的大小可造成式输出电压高、启动难、不启动等一系列故障。 

  7脚电压正常6脚无输出』大多都是保护电路动作了』我们通过测量2、3脚电压很容易就能区分出来』在保护取样电路中半可变电阻容易随着时间的推移而出现接触不良致使电压升高』或电压不稳定』对于过流保护的电阻』他的重要性我们前面已说过。R520的阻值变大容易造成开关管发热量大的故障』遇到过热的毛病不防查他一下。 

  有些机器开机即烧管』浪费了我我们大量的时间和金钱』对于这样的机器我们可先不上开关管』通过测量3842的各脚电压来确定他的工作状态是否正常』一般来说1脚0.6-2伏、2脚2伏左右、3脚0伏、4脚1伏左右、5脚0伏、6脚0.5-2伏左右、7脚在12伏左右跳动』8脚在2 伏左右。由于各机型参数不尽相同』可能会有些差异。只要在正常范围内就可接管进行试验』但不要忘了采取一些保护措施。 

  以下是几种由3842构成的电源』虽然在辅助电路上各部分相同』但万变不离其宗』你可以对照着比较一下』这样对于以后分析电路也许有点帮助。以上分析如有错误敬请同行指正』期待着与大家共同进步! 
 


UC3842 的原理与实践 

  采用UC3842的电流控制型开关电源,比如电脑显示器的电路

  电压控制型开关电源会对开关电流失控,不便于过流保护,并且响应慢、稳定性差。与之相比,电流控制型开关电源是一个电压、电流双闭环控制系统,能克服电流失控的缺点,并且性能可靠、电路简单。据此,我们用UC3842芯片设计了一个电流控制型开关电源。为了提高输出电压的精度,系统没有采用离线式结构,而采用直接反馈式结构。本系统在设计上充分考虑了电磁兼容性和安全性,可广泛应用于工业、家电、视听和照明设备。

电流控制型开关电源的原理框图
  电流型控制是针对电压型控制的缺点而发展起来的,在保留了电压控制型的输出电压反馈控制部分外,又增加了一个电流反馈环节,其原理框如图1所示。

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图1 电流控制型开关电源的原理框图

  电流控制型开关电源是一个电压、电流双闭环控制系统,内环为电流控制环,外环为电压控制环。当U O变化导致UF变化,或I变化导致US变化时,都会使PWM电路的输出脉冲占空比发生变化,从而改变UO,达到输出电压稳定的目的。

电流型控制芯片UC3842
  UC3842是一块功能齐全、较为典型的单端电流型PWM控制集成电路,内包含误差放大器、电流检测比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。它提供8端口双列直插塑料封装和14端口塑料表面贴装封装,内部结构如图2所示。

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图2 UC3842内部电路

8端口双列直插塑料封装的UC3842各管端口功能简介。
①端口COMP是内部误差放大器的输出端。
②端口VFB是反馈电压输入端,与内部误差放大器同相输入端的+2.5V基准电压进行比较,产生误差电压,控制脉冲的宽度。
③端口ISENSE是电流传感端。在应用电路中,在MOSFET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并送入③端口,控制脉冲的宽度。
④端口RT/CT是定时端。锯齿波振荡器的振荡频率f=1.8/(RT·CT),电流模式工作频率可达500kHz。
⑤端口GND是接地。
⑥端口OUTPUT是输出端,此端口为图腾柱式输出,驱动电流的峰值高达l.0A。
⑦端口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。芯片工作后,输入电压可在10~30V之间波动,工作电流约为15mA。
⑧端口VREF是基准电压输出,可输出精确的+5V基准电压,电流可达50mA。 
  
UC3842构成电流控制型开关电源
1 电路组成
UC3842构成的电流控制型开关电源电路如图3所示。

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图3 UC3842构成电流控制型开关电源


2 工作原理
  220V交流电先通过滤波网络滤掉各种干扰。电阻R1主要用来消除断电瞬间残留的电压,热敏电阻RT1可以限制浪涌电流,压敏电阻VDR保护电路免受雷电的冲击。然后,再经过B1整流、C4滤波,获得约300V直流电压后分两路输出:一路经开关变压器T加到MOSFET Q1的漏极,另一路经R3加到C17的正端。当C17的正端电位升到≥R16时,⑦端口得工作电压,UC3842电路启动,⑥端口电位上升,Q1开始导通,同时⑧端口的5V电压通过内电路建立。C17容量最好在lO0μF以上,否则电源将出现打嗝现象。C12滤波电容消除在开关时会产生尖峰脉冲,C11为消噪电容,R6、C13决定锯齿波振荡器的振荡频率,R9、C15用来确定误差放大器的增益和频响。C14起斜坡补偿作用,能提高采样电压的可靠性。正常工作后,线圈N2上的高频电压经过D2、R17、C18、D3为UC3842提供工作电压。

  当开关管导通时,整流电压加在开关变压器初级绕组上的电能变成磁能储存在开关变压器中。开关管截止后,能量通过次级绕组释放到负载上。D7、D8是脉冲整流二极管,C7、R5吸收旁路开机瞬间出现的脉冲电流,L3、C8、C9、C10组成滤波电路。输出电压可由下式描述。
UO=UI(TON/KTOFF)
  式中,UO为输出电压,UI为整流电压,K为变压器的变压比,TON为Q1的导通时间,TOFF为Q2的截止时间。

  由上式可知,输出电压和开关管的导通时间及输入电压成正比,与变压器的变压比及开关管的截止时间成反比。C16、R12、D5用来限制栅极电压和电流,进而改善Q1开关速度,有利于改善电磁兼容性。R13主要来防止Q1栅极悬空,D1、R4、C5和D6、R16、C20构成两级吸收回路,用于吸收尖峰电压,防止Q1损坏。
系统中的稳压电路有:
● 电流反馈电路。Q1源极串接取样电阻R15,把电流信号变为电压信号,送入UC3842内部的电流检测比较器同相端。当Q1导通,电流斜率上升时,取样电阻R15的电压增加。一旦R15的电压等于电流检测比较器反相端的电压,内部触发器复位,Q1截止,即实现了以电流控制⑥端口激励脉冲的占空比来稳定输出电压。C19用来抑制取样电流的尖脉冲。
● 电压反馈电路。主要由可编程精密稳压器TL431和线性光电耦合器PC817组成。输出电压经R21、R22分压后得到取样电压,送到可编程精密稳压器TL431的参考端口,改变R21、R22的阻值,使TL431的稳压值变化,即可改变开关电源的输出电压。C21、R19对可编程精密稳压器TI431内部放大器进行相位补偿。系统通过改变光电耦合器U2的发光强度来改变UC3842反馈端电压以实现稳压。当输出电压升高时,TL431两端的电压UKA保持不变,光电耦合器控制端电流增大,②端口反馈端电压值随之增大,UC3842内部的电流检测比较器反相端的电压变低,输出端⑥端口的脉冲信号占空比变低,开关管的导通时间减少,输出电压降低;反之,如果输出电压下降时,UC3842的输出脉冲占空比增大,输出电压增高,达到稳压目的。另一方面,⑦端口电源电压由D2整流、C18滤波产生,反映了输出电压的变化,起到反馈作用,使输出电压稳定。

● 电路有前馈线调整功能。在负载不变时,输入电压突然增加,开关变压器的感应电流由于输入电压增加而迅速斜升,因反馈信号和误差信号尚未改变,限流作用发生比较快,故脉冲宽度变得比较窄。所以,市电的变化在影响输出之前己被补偿,即提高了对输入电压的响应速度。

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图4 斜率补偿

  当系统工作在占空比大于50%或连续电感电流条件下,会产生谐波振荡,它是由固定频率和峰值电流取样同时工作所引起,图4A显示了这种现象。在t0时刻,Q1导通,电感电流以斜率m1上升,t1时刻,电流取样输入到达由控制电压建立的门限。这导致Q1截止,电流以斜率m2下降,直至下一个振荡周期。如果系统有一个扰动加到控制电压上,产生一个小的△I(图中虚线),系统将不稳定。

  为了能使系统在占空比大于50%或连续电感电流条件下仍能可靠工作,将④端口的锯齿波电压通过射极跟随器Q2送入③端口,从而在电流取样端上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡,可以在后续周期将△I扰动减小至零,如图4B所示。该补偿斜坡的斜率必须等于或略大于m2/2,系统才具有稳定性。
系统设计的保护电路有:
● 输出过压保护电路Ⅰ。当输出电压较高,通过电压反馈电路使得②端口电压超过2.5V时,内部触发器复位,外接Q1截止,达到输出过压保护的目的。
● 输出过压保护电路Ⅱ。当输出电压升高,高于D9的击穿电压时,稳压二极管D9击穿,可控硅SCR触发导通,使光电耦合器二极管的负端电压降为0V,光电耦合器饱和,②端口电压为最大值,Q1一直截止,达到输出过压保护的目的。
● 输出过流、过载保护电路。在电路过流、过载时,输出电压降低,Q3、D4、R8构成次级过流、过载保护电路。当次级未过载时,Q3、D4截止;当次级过载时,Q3、D4导通,④端口电位下降,锯齿波振荡器停振,达到过流、过载保护的目的。
● Q1过流保护电路。当电源电压异常时,开关回路的电流增大,取样电阻R15上的电压超过1V时,内部触发器复位,外接Q1截止,有效地保护了Q1。

结论
  本系统采用UC3842设计的电流控制型开关电源,克服了电压控制型开关电源电压调整率和负载调整率差的缺点,并且性能可靠,电路简单。该电源是20~80W的小功率开关电源的理想电源。


鲜花

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