穩壓電源PWM芯片UC3846的應用設計方案

一、引言

在現代電子設備中，穩壓電源作為重要的組成部分，其性能直接影響到設備的穩定性和可靠性。隨著電源技術的不斷進步，脈寬調制（PWM）芯片在開關電源的設計中扮演著越來越重要的角色。本文將以UC3846為例，詳細介紹這款PWM芯片在穩壓電源中的應用設計方案。

二、UC3846芯片概述

1. 主控芯片型號及功能

UC3846是由Unitorde（現為德州儀器TI）公司推出的一款電流型PWM控制器芯片。該芯片具有雙端輸出，能夠直接驅動雙極型功率管或場效應管（MOSFET）。其主要特點包括：

• 自動前饋補償

• 可編程逐脈沖電流限制

• 推挽配置自動對稱校正

• 模塊化電源系統的并行操作能力

• 增強負載響應特性

• 寬共模范圍差分電流檢測器

• 雙脈沖抑制

• 500mA雙圖騰柱輸出

• 低電壓鎖存

• 軟啟動

• 輸出關斷保護

• 工作頻率高達500kHz

2. 芯片引腳功能

UC3846芯片的引腳功能如下：

• 腳1：電流電平設置端

• 腳2：基準電壓輸出端（5.1V）

• 腳3：電流檢測放大器反相輸入端

• 腳4：電流檢測放大器的同相輸入端

• 腳5：誤差放大器的同相輸入端

• 腳6：誤差放大器的反相輸入端

• 腳7：誤差放大器反饋補償

• 腳8：振蕩器的外接電容端口

• 腳9：振蕩器外接電阻端口

• 腳10：同步端口

• 腳11：PWM脈沖的A輸出端

• 腳12：地

• 腳13：集電極電源端

• 腳14：PWM脈沖的B輸出端口

• 腳15：控制電源輸入端

• 腳16：關閉端口

三、UC3846在設計中的作用

UC3846作為電流型PWM控制器，在穩壓電源設計中起到了至關重要的作用。以下是其具體作用的分析：

1. 電流和電壓雙閉環控制

UC3846采用了電壓和電流雙閉環控制系統，通過變換器的幅頻特性由雙極點變為單極點，提高了增益帶寬乘積，從而實現了穩壓幅度大和良好的頻率響應特性。這種控制方式使得穩壓電源的輸出電壓更加穩定，線性調整率精度更高。

2. 自動前饋補償和增強負載響應特性

UC3846具有自動前饋補償功能，能夠根據負載的變化自動調整輸出脈寬，從而保持輸出電壓的穩定。同時，其強大的帶載響應特性使得電源在負載突變時能夠快速響應，減少輸出電壓的波動。

3. 軟啟動和輸出關斷保護

UC3846具有軟啟動功能，在電源啟動時能夠減小開關管的開機損耗，保護開關管不受損壞。同時，該芯片還具有輸出關斷保護功能，當電源出現異常時能夠自動關斷輸出，保護負載設備不受損害。

4. 可編程逐脈沖電流限制和過流保護

UC3846支持可編程逐脈沖電流限制功能，可以根據實際需求設置電流限制值。當電流超過設定值時，芯片會自動關斷輸出脈沖，從而實現對原邊電路的保護。此外，該芯片還具有過壓保護功能，當輸入電壓超過設定值時，同樣會關斷輸出脈沖，保護電源設備不受損害。

四、UC3846應用電路設計與分析

1. 總體電路設計

基于UC3846的穩壓電源電路設計如圖1所示。該電路主要由輸入濾波電路、PWM控制電路、輸出濾波電路和保護電路等組成。其中，PWM控制電路以UC3846為核心，通過電流和電壓雙閉環控制實現對輸出電壓的穩定調節。

2. 輸入濾波電路設計

輸入濾波電路主要由輸入電感L1、輸入電容C1和C2等組成。其作用是對輸入電壓進行濾波，減小輸入電壓的波動和噪聲，保證PWM控制電路的穩定工作。

3. PWM控制電路設計

PWM控制電路是穩壓電源設計的核心部分。該電路主要由UC3846芯片、電流檢測放大器、誤差放大器、振蕩器和輸出驅動電路等組成。

• 電流檢測放大器：通過采樣電阻R29檢測原邊電流，并將電流信號轉換為電壓信號輸入到UC3846的腳3和腳4。

• 誤差放大器：將輸出電壓通過分壓電阻R4、R5和R6分壓后得到的電壓信號與基準電壓（2.5V）進行比較，得到誤差信號輸入到UC3846的腳5和腳6。

• 振蕩器：通過外接電容C8和電阻R14設置工作頻率。UC3846的腳8和腳9分別外接電容和電阻，用于調整振蕩器的頻率和相位。

• 輸出驅動電路：UC3846的腳11和腳14分別輸出PWM脈沖信號，驅動功率管Q1和Q2的開關動作。

4. 輸出濾波電路設計

輸出濾波電路主要由輸出電感L2、輸出電容C3和C4等組成。其作用是對輸出電壓進行濾波，減小輸出電壓的紋波和噪聲，提高輸出電壓的穩定性和精度。

5. 保護電路設計

保護電路主要包括過流保護電路、過壓保護電路和鎖機保護電路等。

• 過流保護電路：通過采樣電阻R29檢測原邊電流，當電流超過設定值時，UC3846的腳4電壓升高，當電壓高于0.9V時，芯片會關斷腳11和腳14的脈沖輸出，從而實現對原邊電路的保護。

• 過壓保護電路：由穩壓管Z2、電阻R36、R37和光耦P2等組成。當輸出電壓超過設定值時，穩壓管Z2擊穿導通，通過光耦P2將信號反饋到UC3846的腳16，芯片會啟動鎖機保護功能，關斷輸出脈沖。

• 鎖機保護電路：由光耦P1、電阻R7、電解電容EC1和晶體管Q1等組成。當副邊沒有輸出時，光耦P1不工作，UC3846的腳16為高電平約4.4V，當高于芯片內部的0.35V時，芯片會啟動鎖機保護功能。

五、UC3846應用實例分析

以一款基于UC3846的交錯并聯反激式開關穩壓電源為例，分析其在實際應用中的性能表現。

1. 電路拓撲結構

交錯并聯反激式開關穩壓電源的電路拓撲結構如圖2所示。該電路主要由兩個反激式變換器并聯組成，通過UC3846芯片實現PWM控制。兩個變換器的輸出通過整流二極管D1和D2合并后輸出到負載。

2. 工作原理

當UC3846芯片的VCC通電后，芯片開始工作。由于軟啟動功能的作用，芯片的腳11和腳14不會立即發出完全導通脈沖，而是逐漸上升。在雙管發出脈沖的間隔期有一個死區時間，防止雙管同時導通造成大電流炸管事件。

輸出電壓通過光耦P1反饋回原邊，再通過CE1、R7、Q1、D1組成一個鎖機保護環路。當副邊沒有輸出時，P1、Q1不工作，芯片的腳16為高電平約4.4V，當高于芯片內部的0.35V時，芯片會啟動鎖機保護功能。

3. 實驗波形分析

通過實驗波形可以觀察到UC3846在實際應用中的性能表現。圖3為工作頻率波形圖，從圖中可以讀得工作頻率大概為142kHz，這個工作頻率由芯片的腳9外接設置。圖4為軟啟動波形圖，展示了軟啟動過程中脈沖電壓的逐漸上升過程。圖5和圖6為加消振電路前后的波形圖，通過消振電路可以有效抑制開關管兩端的振蕩波形現象，保護開關管不受損壞。

六、結論

UC3846作為一款功能強大的電流型PWM控制器芯片，在穩壓電源設計中具有廣泛的應用前景。通過本文的介紹和分析，可以看出UC3846具有自動前饋補償、增強負載響應特性、軟啟動和輸出關斷保護等多種優點，能夠實現對輸出電壓的穩定調節和保護。同時，基于UC3846的交錯并聯反激式開關穩壓電源電路具有元件少、體積小、設計巧妙等優點，在實際應用中取得了良好的效果。