电流型PWM控制器UC3844及其在微机电源中的应用

针对电压型脉宽调制器(PWM) 控制器只有电压控制环、电流变化滞后电压变化、系统响应速度慢、稳定性差等固有缺点,介绍了既有电压控制环、又有电流控制环的新型电流型PWM 控制器。分析了电流型PWM 控制器与电压型PWM 控制器的控制原理,比较了二者之间的优缺点;介绍了电流型PWM 控制器UC3844 的工作原理,并应用电流型PWM 控制器UC3844 设计了微机电源,指出了设计中应该注意的问题。结果表明,由电流型PWM 控制器构成的微机电源具有良好的电压调整率、负载调整率和系统稳定性等优点。

UC3844 是美国UNITRODE 公司生产的高性能电流型脉宽调制器(PWM) 控制器。早期的PWM 控制器是电压控制型的,常用的电压型PWM 控制器有TL494 、TL495 、SG3524 、SG3525 等。电压型PWM 是指控制器按反馈电压来调节输出脉宽,电流型PWM 是指控制器按反馈电流来调节输出脉宽。电流型PWM 是在脉宽比较器的输入端,直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比,使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率

和瞬态响应特性都有提高,是目前比较理想的新型PWM 控制器。

1 电流型PWM 控制与电压型PWM 控制原理及性能比较

1. 1 电压型PWM控制

电压型PWM 控制系统框图如图1 所示。电源输出反馈电压Uf与基准电压Ug 比较放大得到误差电压Ue,该误差电压再与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进行比较,产生占空比变化的矩形波驱动信号。这种结构属于典型的单闭环系统,缺点是控制过程中主电路的电流没有参入输出控制。由于电感的作用,电流滞后于电压的变化,因而系统响应速度慢,稳定性差。

图1 电压型PWM控制系统框图

1. 2 电流型PWM控制

电流型PWM 正是针对电压PWM 型的缺点发展起来的。它在原有的电压环上增加了电流反馈环节,构成电压电流双闭环控制。内环为电流控制环,外环为电压控制环。无论电流的变化,还是电压的变化,都会使PWM 输出脉冲占空比发生变化。这种控制方式可改善系统的电压调整率,提高系统的瞬态响应速度,增加系统的稳定性。其控制系统框图如图2 所示。

1. 3 电流型PWM控制的优点

电压调整率好。输入电压的变化立即引起电感电流的变化,电感电流的变化立即反映到电流控制回路而被抑制。不像电压控制要经过输出电压反馈到误差放大器,然后再调节的复杂过程,所以响应快。如果输入电压的变化是持续的,电压反馈环也起作用,因而可以达到较高的线形调整率。 负载调整率好。由于电压误差放大器可专门用于控制占空比,以适应负载变化造成的输出电压的变化,因而可大大改善负载调整率。 系统稳定性好。从控制理论的角度讲,电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统,系统稳定性好。

2 电流型PWM 控制芯片UC3844 的基本原理

UC3844 是电流型单端输出式PWM ,其最大占空比为50% ,启动电压16V ,具有过压保护和欠压锁定功能。当工作电压大于34V 时,稳压管稳压,使内部电路在小于34 电压下可靠工作;当输入电压低于10V 时,芯片被锁定,控制器停止工作 。其内部框图和引脚图如图3 所示。

图3 UC3844 内部框图及引脚图

UC3844 的工作原理是:反馈电压和2.5 V 基准电压之差,经误差放大器E/A 放大后作为门限电压,与反馈电流经采样后的电压,一起送到电流感应比较器。当电流取样电压超过门限电压后,比较器输出高电平触发RS 触发器,然后经或非门输出低电平,关断功率管,并保持这种状态直至振荡器输出脉冲到触发器和或非门为止。这段时间的长短由振荡器输出脉冲宽度决定。PWM 信号的上升沿由振荡器决定,下降沿由功率开关管电流和输出电压共同决定。反转触发器限制PWM 的占空比调节范围在0～50 %之内。

UC3844 的振荡工作频率由引脚4 与引脚8 之间所接定时电阻RT、脚4 与地之间所接定时电容CT 设定。计算公式为: f = 1/T = RTCT/0.55 = 1.72RTCT。

引脚2 是电压反馈端,将取样电压加至E/A 误差放大器的反相输入端,与同向输入端的2.5 V 基准电压进行比较,产生误差电压。利用内部E/A 误差放大器可以构成电压环。引脚3 是电流反馈端,电流取样电压由引脚3 输入到电流比较器。当引脚3 电压大于1V 时,输出关闭。利用引脚3 和电流比较器可以构成电流环。引脚1 是补偿端,外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特性。引脚8 为5V 基准电压,带载能力50mA。引脚6 为推挽输出端,有拉、灌电流的能力。引脚5 为公共端。引脚7 为集成块工作电源端,电压范围为8V～40V。

UC3844 的输出级为图腾柱式电路,与SG3525 的一端完全相同。输出平均电流值为±200mA ,最大峰值电流±1A ,可直接驱动功率管。由于峰值电流自限,可以不要串入限流电阻。

对于电流型控制芯片UC3844 ,使输出驱动信号关断的方法有两种:一种是将引脚1 电压降至1V 以下,另一种是将引脚3 电压升至1V 以上。这两种方法都是使电流比较器输出高电平,PWM 锁存器复位,关闭输出端,直至下一个时钟将PWM 锁存器置位为止。根据这一原理,可以控制引脚1 、3 电压的变化,实现各种必要的保护。

3 UC3844 在微机电源中的应用

UC3844 的外围电路简单,所用元件少,并且性能优越,成本低。该芯片的最大占空比为50 % ,通常用于单端他激式变换器中。图4 所示为由UC3844 构成的微机电源主电路。

电路主拓扑采用单端反激式电路,由UC3844 构成主控芯片。单端反激式电路具有结构简单、适宜多组输出、可靠性高等特点。使用电流型控制模式将进一步强化这些优点。

在反激变换器中,开关管所受应力较高,这主要是开关关断时漏电感引起开关管集电极电压突然升高所致。抑制开关应力有两个方法:一种是减小漏电感;另一种是耗散过压的能量,或者使能量反馈回电源中。本文采用了第二种方法,在变压器原边并联RCD 缓冲器。耗散过电压的能量依靠并联的RC 电路,能量反馈回电源依靠定向二极管D1 。

变压器的设计是整个电路的关键之一。在设计变压器时,原边电感量不能太大,并且磁心中要增加气隙,否则会出现电流上升率小、导通时间短、电流上升值不大,导致电路没有能力传递所需功率。同时,在设计变压器时必须认真考虑变压器的磁饱和瞬时效应。在瞬变负载情况下,当输入电压较高而负载电流较小时,如果负载电流突然增加,则控制电路会立即加宽输出脉冲宽度来提供补充功率。这样,输入电压和脉冲宽度同时变为最大,即使只是一个短暂的时间,但变压器也会出现饱和,引起失控和故障。这就要求变压器设计时应按高输入电压、宽脉冲进行设计。

图中R1 、C4 构成启动电路,当C4 上的电压超过15V 时电路启动,然后由N4 、D1 、D2 、C2 、C4 、C5 、R6构成自馈电路供电。该电压同时也是电压闭环的信号电压。R10 为电流取样电阻,流经该电阻的电流产生的电压经滤波后送入引脚3 ,构成电流控制闭环。与引脚4 、引脚8 相连的R5 、C8 是UC3844 的外部定时电阻和定时电容。引脚6 经限流电阻直接驱动功率管。引脚5 为输入公共端。输出与输入相隔离,避免共地干扰。高频变压器和功率开关管都接有RCD 缓冲器,用于吸收尖峰电压,防止功率开关管的损伤。