基于UC3842的开关电源保护电路的改进_瑞达电器资料网,华玉生活

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

0 引言

UC3842是美国Unitrode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1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MOS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V_r，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相输入端，这个检测电压和误差电压V_r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1中，R₅用来限制C8产生的充电峰值电流。考虑到V_i及V_ref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V_i钳位于34V，保护芯片不致损坏。

图1 UC3842典型应用电路

2 UC3842保护电路的缺陷

2.1 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开始下一次启动过程。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1V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1V，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1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。设在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ΔI，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，电流衰减时间减少，最小电流开关接通时刻t₂上升了ΔI＋ΔIm₂/m₁，最小电流在下一个周期t₃减小到(ΔI＋ΔIm₂/m₁)(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1，变换器将会不稳定。因此，图1所示的电路在某些状态下存在着一定的失稳隐患。

图2 电感电流波形图

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ΔI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TL431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1，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1还可简化系统的频率补偿以及输出功率小等问题。