Diseño y producción de fuente de alimentación conmutada basada en UC3842
Fuente de alimentación conmutada de diseño UC3842
2007-07-19 19:17
1. Estructura interna y características de UC3842
UC3842 es un chip modulador de ancho de pulso controlado por corriente de salida de un solo extremo de alto rendimiento producido por Unitrode Company de los Estados Unidos.
UC3842 es un paquete en línea dual de 8 pines y su diagrama de bloques esquemático interno se muestra en la Figura 1. Consiste principalmente en una fuente de voltaje de referencia de 5,0 V, un oscilador utilizado para controlar con precisión la configuración del ciclo de trabajo, un reductor, un comparador de medición de corriente, un pestillo PWM, un amplificador de error E/A de alta ganancia y un oscilador adecuado para conducir. MOSFET de potencia Está compuesto por un circuito de salida push-pull de alta corriente, etc. El terminal 1 es el terminal COMP; el terminal 2 de retroalimentación es el terminal de medición de corriente; el terminal 4 está conectado a Rt y Ct para determinar la frecuencia de la onda de diente de sierra; terminal de salida de extracción, con la capacidad de extraer y absorber corriente; la terminal 7 es la terminal de voltaje de alimentación de trabajo del bloque integrado, que puede funcionar entre 8 y 40 V; la terminal 8 es la tensión de referencia interna de 5 V para uso externo, con un; Capacidad de carga de 50 mA.
2. Estructura del circuito y principio de funcionamiento
La Figura 2 muestra el diagrama del circuito utilizado por el autor en el trabajo real. El voltaje de entrada es de 24V CC. Tres salidas CC, respectivamente +5V/4A, +12V/0,3A y -12V/0,3A. Todos los diodos utilizan diodos de respuesta rápida y el dispositivo PWM central utiliza UC3842. El tubo de conmutación adopta un tubo de efecto de campo rápido y de alta potencia.
2.1 Proceso de arranque
Primero, la fuente de alimentación proporciona corriente para cargar el condensador C2 a través de la resistencia de arranque R 1. Cuando el voltaje de C2 alcanza el valor de arranque Umbral de voltaje de 16 V de UC3842, UC3842 comienza a funcionar y proporciona El pulso de conducción es impulsado por la salida de 6 terminales para impulsar el tubo de conmutación, y la señal de salida es un pulso de alto y bajo voltaje. Durante el pulso de alto voltaje, el transistor de efecto de campo se enciende y la corriente pasa a través del lado primario del transformador, mientras que la energía se almacena en el transformador. Según la identificación del mismo terminal, no hay salida de energía en cada lado secundario del transformador en este momento. Cuando finaliza la salida de pulso de alto nivel por el pin 6, el transistor de efecto de campo se apaga. De acuerdo con la ley de Lenz, el lado primario del transformador mantiene la corriente sin cambios, generando una fuerza electromotriz inducida positiva y negativa, cada una. El diodo del lado secundario se enciende, proporcionando energía al exterior. Al mismo tiempo, la bobina de retroalimentación suministra energía al UC3842. Hay un circuito de bloqueo por bajo voltaje dentro del UC3842, y sus umbrales de encendido y apagado son 16 V y 10 V respectivamente, como se muestra en la Figura 3. Antes de encenderlo, la corriente consumida por el UC3842 está dentro de 1 mA. Después de encender el voltaje de la fuente de alimentación, el UC3842 comienza a funcionar cuando el voltaje en el terminal 7 aumenta a 16 V. Después de comenzar el funcionamiento normal, su consumo de corriente es de aproximadamente 15 mA. Debido a que la corriente de inicio de UC3842 está dentro de 1 mA, R1 se selecciona en función de estos parámetros durante el diseño, por lo que el consumo de energía en R1 es muy pequeño.
Por supuesto, si el voltaje en el terminal VCC es pequeño, la caída de voltaje en R1 es muy pequeña y todo el trabajo de suministro de energía se puede completar reduciendo el voltaje de R1. Sin embargo, en circunstancias normales, el voltaje del terminal VCC es relativamente grande, por lo que proporcionar el voltaje de funcionamiento normal completamente a través de R1 hará que R1 consuma demasiada energía y la eficiencia de toda la fuente de alimentación será demasiado baja. En términos generales, cuando se inicia el UC3842, el trabajo de R1 básicamente termina y las tareas restantes se entregan al devanado de retroalimentación, que genera voltaje para alimentar el UC3842. Por lo tanto, no es necesario seleccionar la potencia de R1 muy alta, 1W o 2W es suficiente. El autor cree que, aunque la corriente de arranque del UC3842 está teóricamente dentro de 1 mA, en la aplicación real es más conveniente diseñarlo en 1,6 ~ 2,0 mA. Es decir, cuando el voltaje del terminal VCC es U voltios
2.2 Proceso de estabilización de voltaje
En la Figura 2, se puede ver que cuando se enciende el transistor de efecto de campo, el voltaje rectificado se agrega al devanado primario Np del transformador T. La energía eléctrica se convierte en energía magnética y se almacena en el transformador. Cuando el tubo de efecto de campo termina, la corriente en el devanado Np alcanza el valor máximo Ipmax según la ley electromagnética de Faraday. inducción:
Donde: E——tensión del rectificador; Lp——inductancia del devanado primario del transformador; Ton——tiempo de conducción del FET.
En el momento en que se apaga el transistor de efecto de campo, la corriente de descarga del devanado secundario del transformador es el valor máximo Ismax. Si se ignoran varias pérdidas, debería ser
La energía almacenada en el devanado primario del transformador de alta frecuencia cuando se enciende el tubo de efecto de campo es igual a la energía liberada por el devanado secundario cuando se apaga el tubo de efecto de campo:
En la fórmula: Ls——tiempos del transformador Inductancia del devanado de la etapa; Uo - voltaje de salida; Toff - tiempo de apagado del transistor de efecto de campo.
La fórmula anterior muestra que la tensión de salida Uo es directamente proporcional a Ton e inversamente proporcional a la relación de vueltas n y Toff. Por ejemplo, cuando el voltaje de salida disminuye debido a cambios en el voltaje de la fuente de alimentación o la carga, el voltaje de salida de la bobina de retroalimentación disminuirá, lo que hará que el voltaje en el terminal 2 disminuya y el modulador de ancho de pulso aumentará correspondientemente el ciclo de trabajo. de la relación de forma de onda PWM de salida, lo que prolonga el tiempo de conducción del transistor de alta potencia; por el contrario, cuando el voltaje de la fuente de alimentación cambia o los cambios de carga hacen que el voltaje de salida aumente, el modulador de ancho de pulso reducirá correspondientemente el ciclo de trabajo de la salida PWM. forma de onda de pulso, de modo que el tiempo que el transistor de alta potencia está encendido se acorta, manteniendo así el voltaje de salida en un valor constante.
UC3842 es un método de modulación de ancho de pulso de frecuencia operativa fija cuando el voltaje de salida o la carga cambian, solo ajusta el ciclo de trabajo para controlar el tiempo de conducción del transistor de efecto de campo. El voltaje de retroalimentación se ingresa al pin 2. El voltaje de este pin se compara con la referencia interna de 2,5 V para generar un voltaje de control, controlando así el ancho del pulso, la frecuencia del pulso de salida está determinada por la resistencia de temporización externa Rt y la temporización; condensador Ct conectado al pin 4, f
La unidad de Ct es kΩ y Ct es μF. El pin 3 es el extremo del sensor de corriente del inductor. Cuando el muestreo excede 1 V, el ancho del pulso de encendido se reduce para poner la fuente de alimentación en un estado de funcionamiento entreabierto. El pin 6 es el extremo de salida. Internamente es un tipo de tótem con un aumento. y tiempo de caída de solo 50 ns y una capacidad de conducción de ± 1 A Pin 7, entrada de energía, el voltaje de funcionamiento después del arranque es de 10 ~ 13 V, deja de funcionar cuando es inferior a 10 V, el consumo de energía es de 15 mW, interno; referencia 5V (50mA).
2.3 Principio de protección contra sobrecorriente
Cuando la corriente de carga excede el valor nominal o se cortocircuita, la corriente FET aumenta y el voltaje en R9 se devuelve al pin 3 (voltaje mayor a 1V). El amplificador de corriente interno estrecha el ancho de conducción y disminuye el voltaje de salida hasta que el UC3842 deja de funcionar, sin activar la salida de pulso, lo que provoca que el tubo de efecto de campo se corte, logrando así el propósito de proteger el tubo de alimentación. Una vez que desaparece el cortocircuito, la fuente de alimentación reanuda automáticamente su funcionamiento normal.
2.4 Principio de protección contra sobretensión
Cuando el voltaje de salida es demasiado alto por algún motivo, el voltaje formado por el devanado de realimentación también es alto, provocando que el voltaje del pin 2 sea demasiado alto. alto y el circuito de protección interno comienza a acortar el tiempo de alto nivel del pulso de salida del pin 6, o no emite un nivel alto, lo que provoca que el tubo del interruptor se corte.
2.5 Circuito de protección del tubo del interruptor
Está compuesto por D3, R10, C1 y R11, C14, D4, que elimina el voltaje de pico inverso generado por la inductancia de fuga del transformador, para que el voltaje de funcionamiento del interruptor no sea demasiado alto y se destruya.
3. Precauciones en el diseño
3.1 Diseño del circuito de arranque
El circuito se muestra en la Figura 4. La energía almacenada en el condensador C2 debe ser suficiente para cumplir el arranque de energía La necesidad de un funcionamiento normal garantiza que el pin 7 de UC3842 tenga un suministro de entrada estable y suficiente. Es decir, el tiempo de descarga del condensador C2 es mayor que la duración de alto nivel del pulso de salida del UC3 842. De lo contrario, el suministro de energía fallará. Por tanto, la selección de la capacidad y calidad del condensador C2 es muy importante. En el proceso de diseño real, el autor utilizó un condensador electrolítico de aluminio de 100 μF para C2 y, a menudo, descubrió que la fuente de alimentación fallaba al medir el voltaje en el terminal de retroalimentación y siempre era demasiado bajo, por lo que el diodo rectificador en el terminal de retroalimentación; no funcionó, lo que indica que la amplitud de voltaje en el terminal de retroalimentación era insuficiente. La razón es que C2 tiene capacidad insuficiente y no puede proporcionar suficiente energía para que UC3842 funcione completamente. Por lo tanto, la capacidad es preferiblemente superior a 100 μF.
3.2 Diseño del devanado de retroalimentación
Cuando se inicia UC3842, si el devanado de retroalimentación no puede proporcionar suficiente UF, el circuito se iniciará continuamente y se producirán contratiempos. Además, según la experiencia del autor, si UF es superior a 17,5 V, también provocará que el UC3842 funcione de forma anormal, lo que hará que el ciclo de trabajo del pulso de salida se reduzca y el voltaje de salida disminuya. Por lo tanto, la selección y el bobinado de las vueltas del devanado de retroalimentación es muy importante. Generalmente, se puede diseñar de acuerdo con 13 ~ 15 V, de modo que cuando el UC3842 esté funcionando normalmente, el voltaje del pin 7 se mantenga en aproximadamente 13 V.
4. Conclusión
El UC3842 es un modulador de ancho de pulso controlado por corriente con excelente rendimiento.
Si el voltaje de salida aumenta por alguna razón, el modulador de ancho de pulso cambiará el ancho de pulso de la señal de excitación, es decir, el ciclo de trabajo D, de modo que el voltaje promedio después del corte disminuya, logrando así la estabilización del voltaje, y viceversa. curso. UC3842 puede controlar directamente tubos MOS, IGBT, etc., y es adecuado para fabricar fuentes de alimentación conmutadas de baja potencia de 20-80 W. Debido al ingenioso diseño del dispositivo, se inicia directamente con el voltaje de la fuente de alimentación principal y requiere pocos componentes para formar un circuito, lo cual es muy consistente con el principio de "la simplicidad primero" en el diseño de circuitos.