圖2 電流型PWM控制系統框圖
1. 3 電流型PWM控制的優點
- 電壓調整率好。輸入電壓的變化立即引起電感電流的變化,電感電流的變化立即反映到電流控制回路而被抑制。不像電壓控制要經過輸出電壓反饋到誤差放大器,然后再調節的復雜過程,所以響應快。如果輸入電壓的變化是持續的,電壓反饋環也起作用,因而可以達到較高的線形調整率。
- 負載調整率好。由于電壓誤差放大器可專門用于控制占空比,以適應負載變化造成的輸出電壓的變化,因而可大大改善負載調整率。
- 系統穩定性好。從控制理論的角度講,電壓控制單閉環系統是一個無條件的二階穩定系統。而電流控制雙閉環系統是一個無條件的一階穩定系統,系統穩定性好。
2 電流型PWM 控制芯片UC3844 的基本原理
UC3844 是電流型單端輸出式PWM ,其最大占空比為50% ,啟動電壓16V ,具有過壓保護和欠壓鎖定功能。當工作電壓大于34V 時,穩壓管穩壓,使內部電路在小于34 電壓下可靠工作;當輸入電壓低于10V 時,芯片被鎖定,控制器停止工作 。其內部框圖和引腳圖如圖3 所示。
圖3 UC3844 內部框圖及引腳圖
UC3844 的工作原理是:反饋電壓和2.5 V 基準電壓之差,經誤差放大器E/A 放大后作為門限電壓,與反饋電流經采樣后的電壓,一起送到電流感應比較器。當電流取樣電壓超過門限電壓后,比較器輸出高電平觸發RS 觸發器,然后經或非門輸出低電平,關斷功率管,并保持這種狀態直至振蕩器輸出脈沖到觸發器和或非門為止。這段時間的長短由振蕩器輸出脈沖寬度決定。PWM 信號的上升沿由振蕩器決定,下降沿由功率開關管電流和輸出電壓共同決定。反轉觸發器限制PWM 的占空比調節范圍在0～50 %之內。
UC3844 的振蕩工作頻率由引腳4 與引腳8 之間所接定時電阻RT、腳4 與地之間所接定時電容CT 設定。計算公式為: f = 1/T = RTCT/0.55 = 1.72RTCT。
引腳2 是電壓反饋端,將取樣電壓加至E/A 誤差放大器的反相輸入端,與同向輸入端的2.5 V 基準電壓進行比較,產生誤差電壓。利用內部E/A 誤差放大器可以構成電壓環。引腳3 是電流反饋端,電流取樣電壓由引腳3 輸入到電流比較器。當引腳3 電壓大于1V 時,輸出關閉。利用引腳3 和電流比較器可以構成電流環。引腳1 是補償端,外接阻容元件以補償誤差放大器的頻率特性。引腳8 為5V 基準電壓,帶載能力50mA。引腳6 為推挽輸出端,有拉、灌電流的能力。引腳5 為公共端。引腳7 為集成塊工作電源端,電壓范圍為8V～40V。
UC3844 的輸出級為圖騰柱式電路,與SG3525 的一端完全相同。輸出平均電流值為±200mA ,最大峰值電流±1A ,可直接驅動功率管。由于峰值電流自限,可以不要串入限流電阻。
對于電流型控制芯片UC3844 ,使輸出驅動信號關斷的方法有兩種:一種是將引腳1 電壓降至1V 以下,另一種是將引腳3 電壓升至1V 以上。這兩種方法都是使電流比較器輸出高電平,PWM 鎖存器復位,關閉輸出端,直至下一個時鐘將PWM 鎖存器置位為止。根據這一原理,可以控制引腳1 、3 電壓的變化,實現各種必要的保護。
3 UC3844 在微機電源中的應用
UC3844 的外圍電路簡單,所用元件少,并且性能優越,成本低。該芯片的最大占空比為50 % ,通常用于單端他激式變換器中。圖4 所示為由UC3844 構成的微機電源主電路。
電路主拓撲采用單端反激式電路,由UC3844 構成主控芯片。單端反激式電路具有結構簡單、適宜多組輸出、可靠性高等特點。使用電流型控制模式將進一步強化這些優點。
在反激變換器中,開關管所受應力較高,這主要是開關關斷時漏電感引起開關管集電極電壓突然升高所致。抑制開關應力有兩個方法:一種是減小漏電感;另一種是耗散過壓的能量,或者使能量反饋回電源中。本文采用了第二種方法,在變壓器原邊并聯RCD 緩沖器。耗散過電壓的能量依靠并聯的RC 電路,能量反饋回電源依靠定向二極管D1 。
變壓器的設計是整個電路的關鍵之一。在設計變壓器時,原邊電感量不能太大,并且磁心中要增加氣隙,否則會出現電流上升率小、導通時間短、電流上升值不大,導致電路沒有能力傳遞所需功率。同時,在設計變壓器時必須認真考慮變壓器的磁飽和瞬時效應。在瞬變負載情況下,當輸入電壓較高而負載電流較小時,如果負載電流突然增加,則控制電路會立即加寬輸出脈沖寬度來提供補充功率。這樣,輸入電壓和脈沖寬度同時變為最大,即使只是一個短暫的時間,但變壓器也會出現飽和,引起失控和故障。這就要求變壓器設計時應按高輸入電壓、寬脈沖進行設計。
圖中R1 、C4 構成啟動電路,當C4 上的電壓超過15V 時電路啟動,然后由N4 、D1 、D2 、C2 、C4 、C5 、R6構成自饋電路供電。該電壓同時也是電壓閉環的信號電壓。R10 為電流取樣電阻,流經該電阻的電流產生的電壓經濾波后送入引腳3 ,構成電流控制閉環。與引腳4 、引腳8 相連的R5 、C8 是UC3844 的外部定時電阻和定時電容。引腳6 經限流電阻直接驅動功率管。引腳5 為輸入公共端。輸出與輸入相隔離,避免
共地干擾。高頻變壓器和功率開關管都接有RCD 緩沖器,用于吸收尖峰電壓,防止功率開關管的損傷。
4 結束語
利用UC3844 設計制作的微機電源具有良好的性能指標,動態響應快,頻率響應特性好;穩定幅度大,過沖極小。負載調整率改善明顯,電壓調節范圍寬,紋波電壓小,系統穩定,能很好地滿足微機的工作要求。
