★ 題外話:
作為一個(gè)初學(xué)者,就我個(gè)人而言,我最需要的入門資料是簡答、易懂,最重要的是嚴(yán)謹(jǐn)。不過,我在網(wǎng)上搜集了一些資料,總是不令人滿意,總是不知不覺掉入了某一個(gè)坑里,不可自拔,因此,自己總結(jié)一些資料,力求嚴(yán)謹(jǐn)、簡答、明了,使后進(jìn)者避免誤區(qū)。
由于自己只是一個(gè)普通技術(shù)人員,我很少看含有大量數(shù)據(jù)的計(jì)算的資料,更側(cè)重于定性分析,同時(shí),也由于自己也是初學(xué)者,實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)比較少,若有錯(cuò)誤,敬請(qǐng)各位指教。
★ UC3842/UC3843開關(guān)電源的理解(一)
UC3842/UC3843開關(guān)電源是高頻開關(guān)電源,與低頻開關(guān)電源相對(duì)應(yīng)。高頻開關(guān)電源是先把工頻(50Hz)220VAC先轉(zhuǎn)換為幾十KHz,通過高頻變壓器隔離、降壓,得到所需的直流電壓。而低頻開關(guān)電源是直接將50Hz 220VAC通過低頻變壓器,轉(zhuǎn)換為所需電壓。
UC3842/UC3843是電流型PWM開關(guān)電源控制器。
先解釋一下PWM,PWM(Pulse Width Modulation)為脈沖寬度調(diào)制,簡稱脈寬調(diào)制, 是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈波的一種技術(shù),一般轉(zhuǎn)換后脈波的周期固定,但脈波的占空比會(huì)依模擬信號(hào)的大小而改變。
PWM技術(shù)是一種對(duì)模擬信號(hào)電平的數(shù)字編碼方法,通過使用高分辨率計(jì)數(shù)器(調(diào)制頻率)調(diào)制方波的占空比,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。其最大的優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控對(duì)象之間的所有信號(hào)都是數(shù)字形式的,無需再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程;而且對(duì)噪聲的抗干擾能力也大大增強(qiáng)(噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯值改變時(shí),也可能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的影響),這也是PWM在通訊等信號(hào)傳輸行業(yè)得到大量應(yīng)用的主要原因。
而在開關(guān)電源中,脈沖寬度調(diào)制(PWM)使用的是固定的開關(guān)頻率(周期),可變的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間。
低頻開關(guān)電源現(xiàn)在已經(jīng)很少了。低頻開關(guān)電源就是使用比較笨重的低頻變壓器,進(jìn)行降壓,比如,通過低頻變壓器,直接把工頻的220V降到工頻24V,這就形成了一個(gè)簡單的交流24V電源,如果需要直流24V,只需把工頻24V經(jīng)過整流、穩(wěn)壓、濾波,就得到了直流24V電源,也就是低頻開關(guān)電源。
高頻開關(guān)電源,現(xiàn)在使用的開關(guān)電源基本上都是高頻開關(guān)電源,體積比較小,效率較高。高頻開關(guān)電源由于需要控制開關(guān)頻率,一般來說,都需要開關(guān)電源控制器,也就是我在這個(gè)帖子里講的UC3842/UC3843就是開關(guān)電源控制器。而對(duì)于低頻開關(guān)電源則無需開關(guān)電源控制器。★ UC3842/UC3843開關(guān)電源的理解(二)
UC3842/UC3843開關(guān)電源作為電流型PWM控制器的一種,必然具有電流型PWM控制器的一般特征。因此,把電壓型PWM控制器和電流型PWM控制器放在一起比較,從而加深對(duì)電流型PWM控制器的理解。
開關(guān)電源主要有兩種工作模式,即Voltage mode pulse width modulation (PWM) controller(電壓型PWM控制器)和Representative current mode PWM controller(電流型PWM控制器)。其原理圖如下面兩個(gè)圖所示
從整體來看,電流型PWM控制器比電壓型PWM多了一級(jí)電流反饋。
◆ 相同點(diǎn):
1、兩者無論通過何種方式,最后都是通過產(chǎn)生PWM信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。
2、兩者的電壓反饋部分原理相同。
3、產(chǎn)生參考電壓的原理相同。都是通過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓提供參考電壓。
◆ 不同點(diǎn):
1、就組成元器件的數(shù)目和種類,電流型PWM控制器比電壓型PWM控制器主要增加了1個(gè)電流 檢測(cè)放大器、1個(gè)RS觸發(fā)器和1個(gè)采樣電阻Rsense。
2、Comparator(比較器)輸入、輸出和作用不同。
對(duì)于電壓型PWM控制器,Comparator(比較器)的同相輸入端為Error Amplifier(誤差 放大器)的輸出(電壓反饋,用于穩(wěn)定輸出電壓),反相輸入端為振蕩波形(鋸齒波電壓),輸出為PWM控制信號(hào),直接控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止;
對(duì)于電流型PWM控制器,Comparator(比較器)的同相輸入端為Current Sense Amplifier(電流檢測(cè)放大器)的輸出(電流反饋,用于短路保護(hù)),反相輸入端為Error Amplifier(誤差放大器)的輸出。輸出為RS觸發(fā)器提供復(fù)位信號(hào),使RS觸發(fā)器的Q端輸出為低電平,只控制開關(guān)管的截止;
3、兩者振蕩器不同。
電壓型PWM控制器的振蕩器為SawTooth Oscillator(鋸齒波振蕩器),輸出為鋸齒波,由RC充放電產(chǎn)生,未經(jīng)信號(hào)處理;電流型PWM控制器的振蕩器為Pulse Oscillator(脈沖振蕩器),輸出為方波,雖由RC充放電產(chǎn)生,但經(jīng)過信號(hào)處理。
4、輸出方式不同。
圖中電壓型PWM控制器的輸出電壓是射極輸出;而電流型PWM控制器的輸出是集電極輸出。
◆ 電壓模式PWM控制器的基本工作原理
Figure 2-2 illustrates the basics of a voltage mode PWM controller.
The voltage divider is used with the error amplifier and reference voltage to generate a scaled error signal. The oscillator is similar to a 555 oscillator and generates a constant frequency sawtooth wave. Typically, the timing resistor sets the charge current for the timing capacitor. Once the voltage on the timing capacitor reaches the trip point, a flip-flop in the oscillator turns on and rapidly discharges the timing capacitor to the lower trip point. The output switch is driven by comparing the error voltage and the oscillator voltage.
圖2-2闡明了電壓模式PWM控制器的基本工作原理。分壓器、誤差放大器和參考電壓一起用來產(chǎn)生相應(yīng)比例的誤差信號(hào)??刂破鞯恼袷幤髋c555振蕩器相似,產(chǎn)生固定頻率的鋸齒波。通常,定時(shí)電阻用來設(shè)置定時(shí)電容的充電電流。一旦定時(shí)電容上的電壓達(dá)到跳變點(diǎn)(trip point),振蕩器中的觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn),定時(shí)電容迅速放電到較低跳變點(diǎn)(trip point)。誤差電壓和振蕩器電壓進(jìn)行比較后,驅(qū)動(dòng)輸出開關(guān)動(dòng)作。
◆ 電流模式PWM控制器的基本工作原理
Figure 2-4 illustrates the basics of a current mode PWM controller. In this circuit, the oscillator runs at a constant frequency. The pulse from the oscillator sets the flip-flop, which starts current flowing in the transistor switch. The current flow in the switch stops when the current as measured by Rsense creates a current sense voltage that equals the trip point set by the error amplifier. The comparator resets the flip-flop, which shuts off the switch. The error amplifier is used to adjust the trip point for the switch current so that the inductor current is the proper amount to maintain the output voltage. As the output voltage approaches the desired value, the error signal reduces the current trip point to maintain a constant average inductor current.
圖2-4闡明了電流模式PWM控制器的基本工作原理。在這個(gè)電路中,振蕩器產(chǎn)生恒定頻率。來自振蕩器的脈沖設(shè)置觸發(fā)器,而這個(gè)觸發(fā)器用來開啟開關(guān)三極管,使電流流動(dòng)。當(dāng)電流檢測(cè)電壓,即流經(jīng)Rsense的電流產(chǎn)生的電壓,等于誤差放大器設(shè)置的跳變點(diǎn)(trip point)時(shí),開關(guān)電流停止流動(dòng)。比較器復(fù)位觸發(fā)器,從而關(guān)斷開關(guān)。誤差放大器用來調(diào)整開關(guān)電流的跳變點(diǎn)(trip point),這樣,電感線圈電流可以得到合適的值,來維持輸出電壓。當(dāng)輸出電壓接近期望值時(shí),誤差信號(hào)將降低電流跳變值( current trip point ),來維持恒定的平均電感電流。
備注 :
1、英文說明摘自《Demystifying Switching Power Supplies》Raymond A. Mack, Jr.。漢語說明為根據(jù)自己的理解進(jìn)行翻譯。★ UC3842/UC3843開關(guān)電源的理解(三)
UC3842/UC3843系列簡單說
■ 主要特性
? 低啟動(dòng)電流(Low Start Up Current)
? 最大占空比鉗位(Maximum Duty Clamp)
? 帶有滯后的欠壓鎖定(Under-voltage Lockout With Hysteresis)
? 工作頻率可達(dá)到500KHz(Operating Frequency Up To 500KHz)
■ 描述
UC3842/UC3843是固定頻率電流模式PWM控制器,專為使用最少的外部元件實(shí)現(xiàn)Off-Line 電源和DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這些集成電路具有可微調(diào)的振蕩器(可實(shí)現(xiàn)精確的占空比控制)、溫度補(bǔ)償參考電壓、高增益誤差放大器、電流取樣比較器(current sensing comparator)和大電流圖騰柱式輸出,是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。其保護(hù)電路有內(nèi)置的欠壓鎖定(UVLO)和電流限制。
以安森美為例,UC3842B的欠壓鎖定門限為16V(通)和10V(斷),UC3843B的欠壓鎖定門限為8.5V(通)和7.6V(斷)。對(duì)于不同的生產(chǎn)廠家,門限值會(huì)略有不同
■ UC3842/UC3843系列工作原理簡單說,暫不涉及反饋
以安森美UC3843B 8腳封裝為例,如下圖所示
根據(jù)芯片資料知,安森美UC3843B的欠壓鎖定門限為8.5V(通)和7.6V(斷)。
正常使用時(shí),首先需要在7腳(Vcc)和5腳(GND)加工作電壓。
當(dāng)Vcc超過門限電壓8.5V時(shí),UC3843B工作,8腳(Vref)輸出參考電壓5V,同時(shí),在6腳(Output)輸出固定頻率的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào),這個(gè)固定頻率由4腳(Rt/Ct)和8腳(Vref)之間的定時(shí)電阻和電容確定,最大為500KHz。
當(dāng)Vcc低于門限電壓7.6V時(shí),8腳(Vref)的電壓約為0V,振蕩器停振,6腳(Output)輸出電壓約為0V,開關(guān)管截至,UC3843B不工作。
備注:
UC3842/UC3843系列的生產(chǎn)廠家很多,如TI、ON、Fairchild等。不同廠家以不同前綴或后綴進(jìn)行區(qū)別,比如Fairchild KA3843B、TI UC3843D、ON UC3843B等,這里我主要根據(jù)安森美UC3842B/UC3843B系列進(jìn)行講解,其他同種類型即3842/3843系列原理、功能相同,只是特性參數(shù)略有不同,詳見相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)。
★ UC3842/UC3843開關(guān)電源的理解(四)
誤差放大器(Error Amplifier)的門限為+2.5V(同相輸入端);電流檢測(cè)比較器(Current Sense Comparator)的門限電壓為1.0V。這兩個(gè)門限電壓用于調(diào)整輸出電壓和短路保護(hù)。
★ UC3842/UC3843開關(guān)電源的理解(五)
UC3842/UC3843系列220VAC輸入開關(guān)電源的調(diào)試方法
■ 加電順序:
先外加限流的直流電壓給IC供電,確定IC及外圍沒問題之后,然后用串燈泡的插座插在調(diào)壓器上,然后慢慢的升高輸入交流電壓。
補(bǔ)充:
一般來說,對(duì)于220VAC輸入、以UC3842/UC3843為核心的開關(guān)電源,測(cè)試直流電壓至少為63V,限流設(shè)置為800mA,即可使UC3842/UC3843正常工作。
■ 輔助供電部分的調(diào)試
1、利用外部輔助電源測(cè)試芯片:外加輔助電源,滿足芯片工作電壓,然后看震蕩頻率是否正常、驅(qū)動(dòng)波形是否正常,測(cè)試MOS管驅(qū)動(dòng)是否正常。
2、外加輔助電源正常后,就可以進(jìn)行加電實(shí)驗(yàn)了,如果電路設(shè)計(jì)沒問題,至少電路會(huì)自舉啟動(dòng),上電后用示波器測(cè)試VCC波形,空載情況下雖然有時(shí)候可以測(cè)到輸出電壓,但并不能保證電路已經(jīng)正常工作。特別是帶一點(diǎn)負(fù)載,輸出電壓就開始下降的情況。
3、如果上電后VCC電壓不是穩(wěn)定的,是低頻情況下的鋸齒撥,一般情況是輔助供電沒有及時(shí)提供:
正常工作原理:啟動(dòng)部分通過電阻給電容充電,電容電壓達(dá)到芯片啟動(dòng)電壓,芯片啟動(dòng)出脈沖,電容電壓開始下降,在電容電壓降低到芯片停止工作電壓之前,輔助繞組提供芯片工作電壓,芯片正常工作。
不正常工作:啟動(dòng)部分通過電阻給電容充電,電容電壓達(dá)到芯片啟動(dòng)電壓,芯片啟動(dòng)出脈沖,電容電壓開始下降,在電容電壓降低到芯片停止工作電壓的時(shí)候,輔助繞組還不能提供足夠高的電壓供芯片工作,芯片停止工作,然后通過電阻又充電一直重復(fù),造成供電電壓震蕩。
4、如何判斷是輔助供電的問題呢?輔助供電一般通過整流后加一個(gè)電阻來濾波,測(cè)量電阻前面(不是VCC)的波形,看波形最高電壓是多少,一般這種情況下,最高電壓達(dá)不到芯片的工作電壓,如果能達(dá)到,就將電阻短路再試驗(yàn)一下。
5、解決了輔助供電的問題,電路就可以工作了。這個(gè)時(shí)候測(cè)量控制芯片COMP端波形,應(yīng)該是一條平整的直線,如果出現(xiàn)了鋸齒波,可以考慮調(diào)整環(huán)路了。
補(bǔ)充:
電路正常工作后,雖然電路時(shí)刻是動(dòng)態(tài)調(diào)整,但只要占空比不急劇變化,COMP端就應(yīng)該是相對(duì)穩(wěn)定的一個(gè)電平信號(hào)(當(dāng)然不是純穩(wěn)定,還存在很小的波動(dòng))。如果環(huán)路不合適,COMP端有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng),這個(gè)時(shí)候可以看到占空比將變化較大,電路實(shí)際是不穩(wěn)定的.因此有時(shí)候可以從COMP端簡單明了的判斷電路是否穩(wěn)定.
★ UC3842/UC3843開關(guān)電源的理解(一)的補(bǔ)充
下圖為電壓型開關(guān)控制(PWM)信號(hào)的產(chǎn)生圖,
圖中Oscillator Waveform(振蕩器波形:鋸齒波)是不變的,而Error Amplifier Output Voltage(誤差放大器輸出電壓:一條橫線表示)是變化的,當(dāng)前者大于后者,開關(guān)截至;當(dāng)后者大于前者,開關(guān)導(dǎo)通。通過調(diào)節(jié)誤差放大器輸出電壓,從而達(dá)到改變占空比,改變輸出電壓的目的。
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