重慶浙順電氣有限公司
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引言
電源裝置是電力電子技術(shù)應用的一個(gè)重要領(lǐng)域,其中高頻開(kāi)關(guān)式直流穩壓電源由于具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點(diǎn),獲得了廣泛的應用。開(kāi)關(guān)電源的控制電路可以分為電壓控制型和電流控制型,前者是一個(gè)單閉環(huán)電壓控制系統,系統響應慢,很難達到較高的線(xiàn)形調整率精度,后者,較電壓控制型有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
UC3842是由Unitrode公司開(kāi)發(fā)的新型控制器件,是國內應用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調制器。所謂電流型脈寬調制器是按反饋電流來(lái)調節脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線(xiàn)圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較,從而調節占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統,因此,無(wú)論開(kāi)關(guān)電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高,是比較理想的新型的控制器閉。
1 電路設計和原理
1.1 UC3842工作原理
UC3842是單電源供電,帶電流正向補償,單路調制輸出的集成芯片,其內部組成框圖如圖l所示。其中腳1外接阻容元件,用來(lái)補償誤差放大器的頻率特性。腳2是反饋電壓輸入端,將取樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端,再與同相輸入端的基準電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生誤差電壓。腳3是電流檢測輸入端,與電阻配合,構成過(guò)流保護電路。腳4外接鋸齒波振蕩器外部定時(shí)電阻與定時(shí)電容,決定振蕩頻率,基準電壓VREF為0.5V。輸出電壓將決定變壓器的變壓比。由圖1可見(jiàn),它主要包括高頻振蕩、誤差比較、欠壓鎖定、電流取樣比較、脈寬調制鎖存等功能電路。UC3842主要用于高頻中小容量開(kāi)關(guān)電源,用它構成的傳統離線(xiàn)式反激變換器電路在驅動(dòng)隔離輸出的單端開(kāi)關(guān)時(shí),通常將誤差比較器的反向輸入端通過(guò)反饋繞組經(jīng)電阻分壓得到的信號與內部2.5V基準進(jìn)行比較,誤差比較器的輸出端與反向輸入端接成PI補償網(wǎng)絡(luò ),誤差比較器的輸出端與電流采樣電壓進(jìn)行比較,從而控制PWM序列的占空比,達到電路穩定的目的。
1.2 系統原理
本文以UC3842為核心控制部件,設計一款AC 220V輸入,DC 24V輸出的單端反激式開(kāi)關(guān)穩壓電源。開(kāi)關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統。變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn),因此,增益帶寬乘積得到了提高,穩定幅度大,具有良好的頻率響應特性。
主要的功能模塊包括:?jiǎn)?dòng)電路、過(guò)流過(guò)壓欠壓保護電路、反饋電路、整流電路。以下對各個(gè)模塊的原理和功能進(jìn)行分析。電路原理圖如圖2所示。
1.2.1 啟動(dòng)電路
如圖2所示交流電由C16、L1、C15以及C14、C13進(jìn)行低通濾波,其中C16、C15組成抗串模干擾電路,用于抑制正態(tài)噪聲;C14、C13、L1組成抗共模干擾電路,用于抑制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應用對電磁干擾由很強的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)D1~D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成3lOV的脈動(dòng)直流電壓,此電壓經(jīng)R1降壓后給C8充電,當C8的電壓達到UC3842的啟動(dòng)電壓門(mén)檻值時(shí),UC3842開(kāi)始工作并提供驅動(dòng)脈沖,由腳6輸出推動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作。隨著(zhù)UC3842的啟動(dòng),R1的工作也就基本結束,余下的任務(wù)交給反饋繞組,由反饋繞組產(chǎn)生電壓給UC3842供電。由于輸入電壓超過(guò)了UC3842的工作,為了避免意外,用D10穩壓管限定UC3842的輸入電壓,否則將出現UC3842被損壞的情況。
1.2.2 短路過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護電路
由于輸入電壓的不穩定,或者一些其他的外在因素,有時(shí)會(huì )導致電路出現短路、過(guò)壓、欠壓等不利于電路工作的現象發(fā)生,因此,電路必須具有一定的保護功能。如圖2所示,如果由于某種原因,輸出端短路而產(chǎn)生過(guò)流,開(kāi)關(guān)管的漏極電流將大幅度上升,R9兩端的電壓上升,UC3842的腳3上的電壓也上升。當該腳的電壓超過(guò)正常值0.3V達到1V(即電流超過(guò)1.5A)時(shí),UC3842的PWM比較器輸出高電平,使PWM鎖存器復位,關(guān)閉輸出。這時(shí),UC3842的腳6無(wú)輸出,MOS管S1截止,從而保護了電路。如果供電電壓發(fā)生過(guò)壓(在265V以上),UC3842無(wú)法調節占空比,變壓器的初級繞組電壓大大提高,UC3842的腳7供電電壓也急劇上升,其腳2的電壓也上升,關(guān)閉輸出。如果電網(wǎng)的電壓低于85V,UC3842的腳1電壓也下降,當下降lV(正常值是3.4V)以下時(shí),PWM比較器輸出高電平,使PWM鎖存器復位,關(guān)閉輸出。如果人為意外地將輸出端短路,這時(shí)輸出電流將成倍增大,使得自動(dòng)恢復開(kāi)關(guān)RF內部的熱量激增,它立即斷開(kāi)電路,起到過(guò)壓保護作用。一旦故障排除,自動(dòng)恢復開(kāi)關(guān)RF在5s之內快速恢復阻抗。因此,此電路具有短路過(guò)流、過(guò)壓、欠壓三重保護。
1.2.3 反饋電路
反饋電路采用精密穩壓源TL431和線(xiàn)性光耦PC817。利用TL43l可調式精密穩壓器構成誤差電壓放大器,再通過(guò)線(xiàn)性光耦對輸出進(jìn)行精確的調整。如圖2所示,R4、R5是精密穩壓源的外接控制電阻,它們決定輸出電壓的高低,和TL431一并組成外部誤差放大器。當輸出電壓升高時(shí),取樣電壓VR7也隨之升高,設定電壓大于基準電壓(TL431的基準電壓為2.5V),使TL431內的誤差放大器的輸出電壓升高,致使片內驅動(dòng)三極管的輸出電壓降低,也使輸出電壓Vo下降,最后Vo趨于穩定;反之,輸出電壓下降引起設置電壓下降,當輸出電壓低于設置電壓時(shí),誤差放大器的輸出電壓下降,片內的驅動(dòng)三極管的輸出電壓升高,最終使得UC3842的腳1的補償輸入電流隨之變化,促使片內對PWM比較器進(jìn)行調節,改變占空比,達到穩壓的目的。R7、R8的阻值是這樣計算的:先固定R7的阻值,再計算R8的阻值,即
1.2.4 整流濾波電路
輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小,影響輸出電壓的性能。開(kāi)關(guān)電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個(gè)方面。
(1)輸入電源的噪聲,是指輸入電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸入端加電容C5,以濾除此噪聲干擾。
(2)高頻信號噪聲,開(kāi)關(guān)電源中對直流輸入進(jìn)行高頻的斬波,然后通過(guò)高頻的變壓器進(jìn)行傳輸,在這個(gè)過(guò)程中,必然會(huì )摻人高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中引起的高頻噪聲。對于這類(lèi)高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用π型濾波的方式。濾波電感采用150μH的電感,可濾除高頻噪聲。
(3)采用快速恢復二極管D6、D7整流?;诘蛪?、功耗低、大電流的特點(diǎn),有利于提高電源的效率,其反向恢復時(shí)間短,有利于減少高頻噪聲。
2 并聯(lián)整流二極管減小尖峰電壓
在大功率的整流電路中,次級整流橋電路存在較大雜散電感,輸出整流管在換流時(shí),由于電路中存在寄生振蕩,整流管會(huì )承受較大的尖峰電壓,尖峰電壓的存在提高了對整流二極管的耐壓要求,也將帶來(lái)額外的電路損耗。整流橋的寄生振蕩產(chǎn)生于變壓器的漏感(或附加的諧振電感)與變壓器的繞組電容和整流管的結電容之間。
當副邊電壓為零時(shí),在全橋整流器中4只二極管全部導通,輸出濾波電感電流處于自然續流狀態(tài)。而當副邊電壓變化為高電壓Vin/K(K為變壓器變比)時(shí),整流橋中有兩只二極管要關(guān)斷,兩只二極管繼續導通。這時(shí)候變壓器的漏感(或附加的諧振電感)就開(kāi)始和關(guān)斷的整流二極管的電容諧振。即使采用快恢復二極管,二極管依然會(huì )承受至少兩倍的尖峰電壓,因此,必須采用有效的緩沖電路,有許多文獻對此作了研究,歸納起來(lái)有5種方式:RC緩沖電路,RCD緩沖電路,主動(dòng)箝位緩沖電路,第三個(gè)繞組加二極管箝位緩沖電路,原邊側加二極管箝位緩沖電路。在這里提出另一種減小二極管尖峰電壓有效的方法:即整流二極管并聯(lián),其具體的電路圖如圖3所示。
并且這種方法在大功率全橋移相DC/DC電源變換器的項目中得到了應用,實(shí)驗波形驗證了該方法,實(shí)驗結果如圖4所示,其中圖4(a)是整流橋電壓波形,可以看出,由于變壓器的漏感和二極管的結電容以及變壓器的繞組電容之間發(fā)生的高頻振蕩,使二極管存在很高的尖峰電壓;圖4(b)是采用并聯(lián)整流二極管之后整流橋電壓波形,明顯尖峰電壓減小很多,驗證了該方法的有效性。
3 實(shí)驗結果及分析
對設計的電路進(jìn)行了實(shí)驗,圖5示出了實(shí)驗波形。圖5(a)上波形為UC3842的腳4三角波振蕩波形,下波形為UC3842的腳6驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管的PWM波;圖5(b)上波形為滿(mǎn)載時(shí)輸出電壓直流分量Vdc,下波形為交流紋波Vripp。
4 結語(yǔ)
UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器,單端輸出,可直接驅動(dòng)晶體管和MOSFET,具有管腳數量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在100W以下的開(kāi)關(guān)電源中有很好的應用前景。
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