一種基於UC3842應用電路的設計與實現

開關穩壓電源由於具有功耗小，效率高，體重輕等優點，所以在電子電力技術領域中佔有重要地位。開關穩壓電源主要由脈衝寬度調（PWM）制控制晶片、MOSFET/IGBT和變壓器構成，通過PWM控制開關管通斷的時間比率來穩定電源電壓輸出。UC3842作為國內廣泛應用的電源晶片，具有管腳少、外圍電路簡單等優點。本文結合該晶片特點設計出保護電路、反饋電路和開關管外圍電路等，同時提出PCB布局上應注意的問題以及相關建議，最後通過實驗驗證了電路多路輸出的可行性。

1、UC3842內部結構及應用電路圖

如圖1所示為UC3842內部組成框圖。1引腳為內部誤差放大器輸出埠，此引腳與2引腳形成反饋網絡，使誤差放大器補償產生穩定的閉環轉換器響應和較大的增益帶寬。2引腳為反饋電壓輸入端，反饋電壓通過分壓電阻產生的電壓輸入誤差放大器反相端與基準電壓分壓2.5V比較，產生電壓差進而控制晶片輸出信號佔空比。3引腳為電流檢測端，通過採樣電阻把母線電流轉換為電壓，當該電壓大於1V則關斷晶片PWM輸出，進而保護電路。4引腳為內部振蕩器輸入端，由外部的Rt、Ct確定電路的工作頻率。5引腳為地端。6引腳為晶片輸出端，輸出電流±1A，可直接驅動MOSFET。7引腳為電源端，由母線通過分壓電阻供電。8引腳為基準電壓輸出端，為外部提供精準5V電壓，帶載能力為50mA。

圖1  UC3842內部結構

2、應用電路的工作原理分析

1）AC-DC電路

AC-DC電路將交流變成直流，是反激式開關電源設計的先決條件。圖2為AC-DC電路，其中，輸入交流電壓為60~220V，電阻1R2為正溫度係數熱敏電阻，防止過流。1R1為壓敏電阻用於旁路浪湧電壓。在PCB布線要求上，壓敏電阻與零線間採用蛇形走線，若壓敏電阻損壞，則可及時斷開壓敏電阻而不至於因為壓敏電阻短路燒毀電路板。共模扼流圈和差模電感（1L1、1L2）分別濾除共模和差模幹擾，由全橋整流電橋整流出直流電為後續電路供電。

圖2  UC3842應用電路原理圖

圖3  AC-DC電路

2）啟動電路設計

本電路設計母線電壓為70~310V，而UC3842正常工作電壓為10~30V，所以不能由母線電壓直接給UC3842供電，由此可設計電阻1R4~1R7和電容1EC2組成RC電路作為晶片啟動電路。輸入電壓通過分壓電阻給電容1EC2充電，當電容兩端電壓達到UC3842的開啟電壓即16V時，3842晶片啟動後，需要保持3842_7引腳大於10V，否則會引起晶片欠壓閉鎖。此外，UC3842在正常工作後由變壓器的次級線圈輸出供電，所以1EC2不斷的充電放電的過程，但電容上的電壓不會小於10V，如圖4所示。

設開關電源的起振電壓U=70V，而UC3842的開啟電壓為16V，由UC3842數據手冊可得啟動電流I小於1mA，所以分壓電阻最小阻值為Rmin=（Umin-16）/I=54kΩ。電路設計選取Rmin=50kΩ。若輸入電壓U=300V，則分壓電阻最大阻值：Rmax=（Umax-16V）/I=285kΩ電路設計選取Rmax=250kΩ。分壓電阻阻值選取範圍50~250kΩ。考慮到UC3842啟動時，部分能量可由電容1EC2提供，且UC3842啟動後的工作電流為17mA，在本電路設計中分壓電阻選取100kΩ阻值。本電路設計分壓電阻封裝為1812，功率為1/2W。此外，還需要特別考慮UC3842的啟動電路分壓電阻所承受的功率問題，採取通過分壓電阻給予UC3842提供電流的方式，故此在保持分壓電阻阻值不變的情況下，用四個電阻串並聯的方式增加分壓電阻的總功率以保證電路正常工作。如果晶片電源端出現高壓時，由於晶片內部電源端穩壓二極體作用，把輸入高壓穩定於34V，保護晶片，所以分壓電阻對精確度要求不高。

3）反饋迴路設計

變壓器次級線圈在整流濾波後，通過電阻1R9和1R12分壓，輸入到晶片內部誤差比較器的反向輸入端（反饋端）和內部基準電壓分壓（2.5V）比較，以此控制PWM佔空比。所以可令1R12=1.2kΩ，1R9=5.1kΩ。變壓器的次級線圈通過功率電阻1R8濾除高頻幹擾，同時快速消耗變壓器次級線圈的能量，由此可以降低反饋電壓紋波，可以更精確控制輸出PWM佔空比。

4）振蕩電路設計

UC3842輸出PWM頻率由晶片外部的Rt、Ct決定。晶片內部輸出5V的基準電壓通過定時電阻1R13給定時電容1C8充電，電容1C8通過晶片內部的電流源放電。本電路設計的頻率是40kHz，如果PWM頻率過高（50kHz以上）則MOSFET柵極電荷不能完全放電，或者容易引起變壓器磁路飽和，這都將導致初級線圈長時間通電，燒毀變壓器。但是頻率過低的話，則存在系統響應慢，線性調整率精度偏低等問題。根據頻率公式：

由上式可以看出電路開關頻率即振蕩頻率由Rt、Ct決定。因此當Rt、Ct一定時，Rt與Ct的值有多種搭配方式。大電阻配小電容，小電阻配大電容，振蕩頻率相同，但是鋸齒波形不同。

5）MOSFET外圍電路設計

電阻1R16（10~20Ω）與MOSFET的柵極串聯，能減小漏極尖峰電壓作用，防止由MOSFET的柵-源極分布電感與MOSFET電容引起自激振蕩。同時MOSFET在關斷時，電流會與漏源間的寄生電容Cds產生振蕩，通過柵源間寄生電容Cgs分壓耦合到柵極，會使柵極電壓產生很高的尖峰，影響到前級電路，所以電阻1R16也起到UC3842與MOSFET的隔離作用。PCB設計中，晶片輸出端到MOSFET柵極的走線儘可能短，以避免走線電感引起柵極振蕩。電阻1R18一般選擇10kΩ，串聯在柵極和地之間，或者在二極體1D6和電阻1R15中間到地串接一CBB電容，都可及時給柵極電容放電，以避免MOSFET長時間導通而造成電路短路。二極體1D6和電阻1R15加快MOSFET關斷，為柵極電荷提供低阻抗迴路，防止MOSFET誤動作，一般選擇關斷迅速的高頻二極體。

6）過流保護電路設計

電流Is通過採樣電阻1R19轉換成電壓輸入3引腳，和UC3842內部鉗位電壓1V進行比較，產生的信號進入RS鎖存器，由鎖存器決定是否關斷PWM的輸出。若輸入3引腳的電壓到達其門限值，則電流保護電路開始生效，馬上停止PWM輸出，保護電路。1R17、1C14組成簡單的RC濾波電路，濾除尖峰電壓，以免造成電流檢測電路誤動作。流過Rs（即1R19）電流Is為母線最大電流：

本電路設計變壓器初級線圈的輸入電壓即母線電壓範圍70~200V，母線電流為400mA，所以使用1R19=0.5Ω可滿足本電路設計要求。

7）變壓器初級線圈保護電路的設計

由1C10、1R14、1C11和1D3組成變壓器初級線圈的保護電路，當MOSFET關斷時，使殘留在變壓器初級線圈的能量可以快速釋放；而變壓器產生的尖峰電壓可通過此電路兩個無極性CBB電容消除，以保證MOSFET正常工作，同時可減小初級線圈對次級線圈輸出紋波的影響。PCB的布局上，上述電路必須靠近變壓器的初級線圈，這樣變壓器初級線圈上的殘餘能量有最短的對地回流路徑。

3、應用電路的調試

1）開關電源輸出電壓測試

電路輸入交流電50V，UC3842開始工作，變壓器的次級線圈輸出12V、15V兩個電壓。15V作為晶片的反饋電壓，12V電壓作為後續模擬電路的輸入電壓。

電路開始正常工作後，用示波器觀察15V反饋端的電壓及其紋波。變壓器15V輸出端輸出電壓為13.2V，紋波為160mV以內。13.2V由反饋電阻阻值比決定，在沒有使用低ESR去耦電容的情況下，160mV的紋波是一個較理想的數據。

2）其他設計注意事項

在初次實驗中，變壓器12V輸出端輸出電壓為10.5V左右，紋波為12V，完全達不到模擬電壓供電的峰峰值要求。考慮到開關變壓器線圈能量釋放的快慢會影響到輸出電壓的紋波，所以調小輸出端的負載電阻，再用示波器觀察可以看到峰峰值明顯降低，但還是沒有達到模擬供電的基本要求。進一步改進：在12V輸出端處增加濾波電路。再次測試，輸出電壓沒變，但是紋波極大的改善，峰峰值可以達到680mV以內。

分析上述實驗數據，得出造成輸出電壓峰峰值大的原因：①變壓器初級線圈能量無法在MOSFET關斷到開通這段時間內釋放完；②次級線圈元器件選型上沒有採用等效串聯阻抗低的固態鋁電容，且沒有串聯磁珠；③MOSFET的柵極和源極之間缺少並聯的電阻去釋放MOSFET關斷是產生的尖峰電壓。綜合調整後，波形的峰峰值可以達到300mV以內。由於變壓器12V電壓輸出端不是由UC3842反饋控制，存在不可控因素，輸出紋波較反饋迴路差是正常結果。

4、結論

文中主要討論UC3842外圍電路參數設計，同時提供了完整的設計電路。UC3842作為一種高性能電流控制型脈寬調製晶片，具有外圍電路簡單，轉換效率高等優點。實驗證明UC3842可運用在多路輸出開關電源上，有良好的性能，動態響應快，同時還有很強驅動MOSFET能力，可用於多種抗幹擾能力較強的場合，但電路對變壓器設計和PCB布局上都要求較高。

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