電流型PWM控制器UC3844及其在微機電源中的應用

     針對電壓型脈寬調製器(PWM) 控制器只有電壓控制環、電流變化滯后電壓變化、系統響應速度慢、穩定性差等固有缺點,介紹了既有電壓控制環、又有電流控制環的新型電流型PWM 控制器。分析了電流型PWM 控制器與電壓型PWM 控制器的控制原理,比較了二者之間的優缺點;介紹了電流型PWM 控制器UC3844 的工作原理,並應用電流型PWM 控制器UC3844 設計了微機電源,指出了設計中應該注意的問題。結果表明,由電流型PWM 控制器構成的微機電源具有良好的電壓調整率、負載調整率和系統穩定性等優點。

    UC3844 是美國UNITRODE 公司生產的高性能電流型脈寬調製器(PWM) 控制器。早期的PWM 控制器是電壓控制型的,常用的電壓型PWM 控制器有TL494 、TL495 、SG3524 、SG3525 等。電壓型PWM 是指控制器按反饋電壓來調節輸出脈寬,電流型PWM 是指控制器按反饋電流來調節輸出脈寬。電流型PWM 是在脈寬比較器的輸入端,直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較,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。由於結構上有電壓環、電流環雙環系統,因此,無論開關電源的電壓調整率、負載調整率
和瞬態響應特性都有提高,是目前比較理想的新型PWM 控制器。

1 　電流型PWM 控制與電壓型PWM 控制原理及性能比較
1. 1 　電壓型PWM控制
    電壓型PWM 控制系統框圖如圖1 所示。電源輸出反饋電壓Uf與基準電壓Ug 比較放大得到誤差電壓Ue,該誤差電壓再與鋸齒波發生器產生的鋸齒波信號進行比較,產生占空比變化的矩形波驅動信號。這種結構屬於典型的單閉環系統,缺點是控制過程中主電路的電流沒有參入輸出控制。由於電感的作用,電流滯後於電壓的變化,因而系統響應速度慢,穩定性差。
 
圖1 　電壓型PWM控制系統框圖

1. 2 　電流型PWM控制
    電流型PWM 正是針對電壓PWM 型的缺點發展起來的。它在原有的電壓環上增加了電流反饋環節,構成電壓電流雙閉環控制。內環為電流控制環,外環為電壓控制環。無論電流的變化,還是電壓的變化,都會使PWM 輸出脈衝占空比發生變化。這種控制方式可改善系統的電壓調整率,提高系統的瞬態響應速度,增加系統的穩定性。其控制系統框圖如圖2 所示。
 　
圖2 　電流型PWM控制系統框圖
　
1. 3 　電流型PWM控制的優點

1. 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迴路而被抑制。不像電壓控制要經過輸出電壓反饋到誤差放大器,然後再調節的複雜過程,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。
2. 負載調整率好。由於電壓誤差放大器可專門用於控制占空比,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。
3. 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 控制晶元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。當工作電壓大於34V 時,穩壓管穩壓,使內部電路在小於34  電壓下可靠工作;當輸入電壓低於10V 時,晶元被鎖定,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 放大後作為門限電壓,與反饋電流經採樣后的電壓,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,然後經或非門輸出低電平,關斷功率管,並保持這種狀態直至振蕩器輸出脈衝到觸發器和或非門為止。這段時間的長短由振蕩器輸出脈衝寬度決定。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 的占空比調節範圍在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 = R_TC_T/0.55 = 1.72R_TC_T。
    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 電壓大於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,電壓範圍為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。由於峰值電流自限,可以不要串入限流電阻。
    對於電流型控制晶元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 鎖存器複位,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,並且性能優越,成本低。該晶元的最大占空比為50 % ,通常用於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。
 
　電路主拓撲採用單端反激式電路,由UC3844 構成主控晶元。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。本文採用了第二種方法,在變壓器原邊並聯RCD 緩衝器。耗散過電壓的能量依靠並聯的RC 電路,能量反饋回電源依靠定向二極體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,並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衝寬度來提供補充功率。這樣,輸入電壓和脈衝寬度同時變為最大,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、寬脈衝進行設計。
圖中R1 、C4 構成啟動電路,當C4 上的電壓超過15V 時電路啟動,然後由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後送入引腳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 緩衝器,用於吸收尖峰電壓,防止功率開關管的損傷。

4 　結束語
    利用UC3844 設計製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,電壓調節範圍寬,紋波電壓小,系統穩定,能很好地滿足微機的工作要求。