UC3842電源管理芯片詳細(xì)解讀

UC3842是AC-DC反激式變壓器中常用的電源管理芯片，其具有較低的啟動(dòng)電流（<1mA），并且可以在高達(dá)500KHz頻率下工作，在輸出端輸出可脈寬調(diào)制的PWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)NMOSFET，并且在MOS管關(guān)斷時(shí)具有較低的功耗。

一、管腳描述（以8腳封裝為例）

圖1. UC3842管腳分布圖

1.COMP(Compensation)：誤差放大器補(bǔ)償引腳。內(nèi)接誤差放大器E/A的輸出端，可通過(guò)連接外部補(bǔ)償組件(如阻容網(wǎng)絡(luò))來(lái)調(diào)整誤差放大器的輸出。誤差放大器內(nèi)部限流，可以通過(guò)將COMP引腳接GND來(lái)設(shè)置零占空比。

2.VFB：電壓反饋引腳。誤差放大器的反相輸入端，通常接開(kāi)關(guān)電源電路的反饋電路。

3.ISENSE：初級(jí)繞組電流感應(yīng)引腳。PWM比較器的同相輸入端，與誤差放大器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)二極管和電阻分壓后的信號(hào)做對(duì)比，控制PWM鎖存輸出低電平使MOS管關(guān)閉。通過(guò)在此引腳串聯(lián)一個(gè)電流感應(yīng)電阻到地，可以將電流轉(zhuǎn)換為電壓，使芯片工作在電壓模式控制狀態(tài)下。

4.RT/CT：振蕩器固定頻率設(shè)置引腳。從此引腳連接定時(shí)電容CCT到GND引腳，從此引腳連接定時(shí)電阻RRT到VREF引腳，設(shè)置電容CCT的充放電時(shí)間，二者決定了振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)頻率。

5.GROUND/PWRGND(14腳封裝有此腳)：模擬地/電源地。

6.OUTPUT：MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)端。

7.VCC/VC(14腳封裝有此腳)：電源引腳。OUTPUT柵極驅(qū)動(dòng)電路的偏置電壓輸入端，同時(shí)作為整個(gè)芯片的供電輸入端。

8.VREF：5V參考電壓引腳。VREF用于通過(guò)定時(shí)電阻RRT向振蕩器定時(shí)電容器CCT提供充電電流。

二、功能框圖及具體工作原理

圖2.UC3842功能框圖

注：在8引腳封裝中，VCC和VC引腳接在一起引出VCC，GND和PWRGND接在一起引出GND。

1.電源部分

（1）前級(jí)保護(hù)

如圖2所示，VCC引腳串聯(lián)一個(gè)34V鉗位穩(wěn)壓二極管D1接地，起到保護(hù)作用。UC3842正常工作時(shí)VCC允許最大電壓為30V，當(dāng)供電電源超過(guò)34V時(shí)，D1導(dǎo)通，將VCC鉗位在34V（疑問(wèn)：VCC允許最大電壓為30V，這里為什么不直接用30V穩(wěn)壓二極管鉗位呢？）在電流比較小時(shí)，D1還可以承受，但當(dāng)電流較大時(shí)，D1可能會(huì)因?yàn)殡娏鬏^大而短路導(dǎo)致VCC接地，因此在電路設(shè)計(jì)中必須通過(guò)一個(gè)限流電阻限制流經(jīng)VCC的電流，建議設(shè)計(jì)中IVCC<25mA。

并且設(shè)計(jì)過(guò)程中IVCC和IOUTPUT要滿足以下要求：

靜態(tài)工作電流為0.5mA，總的供應(yīng)電流supply current=IVCC=靜態(tài)工作電流+平均輸出電流IOUTPUT

Qg為MOS管柵電壓電荷，fsw為開(kāi)關(guān)管工作頻率。即在設(shè)計(jì)過(guò)程中，啟動(dòng)電流最小為0.5mA，最大為1mA，當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，正常工作電流平均為11mA，最大為17mA，極限值為25mA，且IOUTPUT極限值為200mA。

注：在實(shí)際中，如圖3所示，在VCC引腳接300KΩ的啟動(dòng)電阻RH，最大啟動(dòng)電流約為1.25mA（這里超過(guò)1mA會(huì)不會(huì)有問(wèn)題？剛開(kāi)始有些大，隨著VCC增大，這個(gè)電流會(huì)減小），同時(shí)在VCC引腳和變壓器輔助繞組之間串聯(lián)二極管DB和電阻RD進(jìn)行限流分壓，防止在MOS管關(guān)斷瞬間過(guò)大的尖峰電流加在VCC引腳導(dǎo)致UC3842損壞。

啟動(dòng)電阻RH的計(jì)算方法如下：

VIN(min)是用于供電VCC的最小電壓(圖中為85√2=120V)，VVCC(max)是最大VCC鉗位電壓34V，IVCC為不考慮柵驅(qū)動(dòng)電流的IC供應(yīng)電流，Qg為MOSFET柵電荷，fSW為開(kāi)關(guān)頻率。

 圖3.UC3842A反激式開(kāi)關(guān)電源電路

（2）UVLO（欠壓鎖定輸出）

電源初始供電后，芯片在1mA以下啟動(dòng)電流下工作在欠壓鎖定輸出UVLO狀態(tài)下。如圖2所示，UVLO部分比較器反相輸入端接電源（應(yīng)該不是固定電壓），同相輸入端接VCC，通過(guò)比較VCC供電電壓與內(nèi)部開(kāi)啟/關(guān)斷電壓來(lái)控制供電電流，具體工作方式圖4。

圖4.UVLO工作方式

(a).當(dāng)芯片供電電流增大到使供電電壓VCC高于芯片開(kāi)啟電壓VON(=16V)時(shí)，供電電流增大到17mA（最大值），典型值為11mA，此時(shí)芯片達(dá)到正常工作電流，UVLO運(yùn)算器輸出為高，產(chǎn)生5V參考信號(hào)，引出VREF引腳；

(b).當(dāng)芯片供電電流減小到使芯片供電電壓VCC低于關(guān)斷電壓VOFF(=10V)時(shí)，芯片總供電電流減小到1mA(<1mA)，此時(shí)芯片工作在欠壓鎖定輸出狀態(tài)下（同樣，在開(kāi)啟過(guò)程中，若供電電壓VCC<VON，則芯片也工作在欠壓鎖定輸出狀態(tài)下），UVLO運(yùn)算器輸出為低，芯片不能正常輸出參考電壓。UVLO期間，輸出柵驅(qū)動(dòng)器工作在高阻狀態(tài)相當(dāng)于引腳懸空，則需要在MOS管柵和地之間串聯(lián)一個(gè)電阻，防止漏電流等干擾信號(hào)導(dǎo)致MOS管誤開(kāi)啟（這里串一個(gè)電阻在有漏電流的情況下不是會(huì)拉高M(jìn)OS管柵極電壓，更能導(dǎo)致MOS管誤開(kāi)啟嗎？）。

注：在如圖3所示的AC-DC反激式開(kāi)關(guān)電源電路中，整流濾波后的直流電壓經(jīng)過(guò)300KΩ啟動(dòng)電阻后達(dá)到UC3842啟動(dòng)電流給VCC引腳旁路電容CVCC1充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到芯片開(kāi)啟電壓VON時(shí)，芯片供電電流增大到17mA，芯片開(kāi)始正常工作，OUTPUT腳輸出PWM波控制MOS管導(dǎo)通與關(guān)斷。MOS管導(dǎo)通期間，由充電電容CVCC1為芯片供電，電容CVCC1處于放電狀態(tài)；MOS管關(guān)斷期間，由變壓器輔助繞組為芯片供電，CVCC1處于充電狀態(tài)。在工作過(guò)程中，如啟動(dòng)電流不足或電壓無(wú)法達(dá)到VON，則芯片無(wú)法正常工作。

疑問(wèn)1：?jiǎn)?dòng)電流會(huì)隨著VCC電壓的增大/減小而發(fā)生變化，但整個(gè)電路工作過(guò)程，啟動(dòng)電流是一直保持達(dá)到要求啟動(dòng)電流值，這樣才能保證芯片可以在電壓VCC達(dá)到開(kāi)啟閾值VCC時(shí)啟動(dòng)，是這樣嗎？

疑問(wèn)2：當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)繞組上產(chǎn)生反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輔助繞組上電壓為上負(fù)下正，二極管導(dǎo)通，給VCC供電，有沒(méi)有可能在還沒(méi)來(lái)得及產(chǎn)生反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的時(shí)候，芯片供電電壓VCC降到了VOFF10V以下，則芯片停止工作，等輔助繞組上電壓逐漸升高到VON后芯片重新開(kāi)始工作，如此往復(fù)，芯片就出現(xiàn)了“打嗝”現(xiàn)象，會(huì)這樣嗎？

2.參考電壓部分

當(dāng)芯片工作電壓達(dá)到開(kāi)啟電壓后，VCC UVLO輸出一個(gè)精度較高、較穩(wěn)定的5V參考電壓。

（1）作為高速開(kāi)關(guān)邏輯的邏輯電源VREF Good Logic，此處其實(shí)也是一個(gè)和VCC UVLO類似的遲滯電路VREF UVLO，反相端接3.6V電壓源，同相端接5V參考電壓，當(dāng)參考電壓低于3.6V時(shí)，VREF UVLO輸出低，圖2中的或門輸出高，UC3842 OUTPUT引腳輸出低，MOS管關(guān)斷。當(dāng)參考電壓達(dá)到5V左右，VREF UVLO輸出高，說(shuō)明芯片處于正常工作狀態(tài)，或門輸出狀態(tài)由振蕩器和PWM Latch決定。

注：參考電壓端什么時(shí)候會(huì)被拉低呢？在圖3所示電路中若充電電容CT短路接地，則VREF會(huì)被拉低，當(dāng)可能拉低到<3.6V時(shí)，VREF UVLO輸出低，圖2中的或門輸出高，UC3842 OUTPUT引腳輸出低，MOS管關(guān)斷，就起到了一定的保護(hù)作用。

（2）VREF分壓后輸出穩(wěn)定的2.5V參考電壓作為誤差放大器E/A的同相輸入端，VFB作為誤差放大器的反向輸入端，同時(shí)補(bǔ)償引腳COMP接在誤差放大器的輸出端，可以通過(guò)設(shè)置一定的RC網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行輸出電壓的反饋監(jiān)測(cè)，從而調(diào)整PWM波的占空比。

（3）為內(nèi)部其他電路偏置提供參考。

（4）對(duì)VREF和RT/CT之間的充電電阻和充電電容提供充電電流。

3.誤差放大器

圖5.誤差放大器（圖中紅色部分為第二種反饋方式，也是圖3電路中的反饋方式）

如圖5所示，誤差放大器的輸出端是一個(gè)與0.5mA電流源并聯(lián)的開(kāi)集三極管（即集電極開(kāi)路輸出，但此圖中不確定開(kāi)集三極管前面電路是什么，只能從輸出分析原理）。若不接電流源，當(dāng)三極管輸入為高，三極管導(dǎo)通，輸出端集電極接地；當(dāng)三極管輸入為低，三極管截止，輸出端相當(dāng)于懸空，為高阻態(tài)。而接入電流源可以讓三極管集電極可以輸出一個(gè)高電平（而不是高阻態(tài)）。

誤差放大器的工作方式如下：當(dāng)VFB電壓大于2.5V，三極管基極輸入為高，集電極輸出為低，此時(shí)COMP端與誤差放大器輸出疊加向后級(jí)傳輸，但產(chǎn)生的效果應(yīng)該是讓占空比減小（提前關(guān)斷MOS管），因此COMP端的輸入應(yīng)該設(shè)計(jì)適配的阻抗網(wǎng)絡(luò)讓二者達(dá)到此結(jié)果；同樣當(dāng)VFB電壓小于2.5V，三極管基極輸入為低，集電極輸出為高，COMP端輸入與誤差放大器輸出疊加向后級(jí)傳輸，但產(chǎn)生的效果應(yīng)該是讓占空比增大（延遲關(guān)斷MOS管）。

根據(jù)VFB和COMP兩引腳，電壓反饋方式有兩種：

（1）如圖6所示為第一種反饋方式，VFB直接接地，則誤差放大器輸出為高，COMP接光耦三極管集電極，發(fā)射極接地。當(dāng)輸出電壓增大，則TL431和光耦構(gòu)成的反饋電路中光耦一次側(cè)二極管上電流增大，二次側(cè)三極管集電極電流IC增大，則電阻R上分壓增大（VD=VR+Vcomp），COMP被拉低；反之當(dāng)輸出電壓減小，則TL431和光耦構(gòu)成的反饋電路中光耦一次側(cè)二極管上電流減小，二次側(cè)三極管集電極電流IC減小，則電阻R上分壓減小，COMP被拉高，COMP的狀態(tài)影響PWM信號(hào)的占空比，以此來(lái)調(diào)控開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

 圖6.第一種反饋方式

（2）如圖5及圖3中藍(lán)色部分均為第二種反饋方式。假設(shè)誤差放大器為普通放大器，那么根據(jù)“虛短”、“虛斷”有如下：

(a)虛短：VFB=VREF=2.5V；

(b)虛斷：I(+)=I(-)=0，即   

則      

其中Ui由光耦三極管電流及電阻R決定，因此可以通過(guò)配置阻抗網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置光耦工作電流區(qū)域來(lái)設(shè)置COMP端電壓，從而調(diào)控PWM波占空比（具體COMP端需要怎么設(shè)置呢？）、

4.電流感應(yīng)部分

誤差放大器輸出端接兩個(gè)二極管降壓之后分壓并通過(guò)穩(wěn)壓二極管鉗位在1V，接在PWM比較器的反相輸入端，PWM比較器的同相輸入端接電流感應(yīng)引腳ISENSE的同相輸入端，當(dāng)電流感應(yīng)引腳ISENSE電壓>1V時(shí)，PWM比較器輸出為高，反之，輸出為低。

如圖2所示，通常在電流感應(yīng)引腳INSENSE串聯(lián)一個(gè)電阻RS到地，電阻另一端接MOS管源極。當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，INSENSE引腳無(wú)電流，為高阻態(tài)，則PWM比較器輸出為低，PWM波占空比由振蕩器決定，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，INSENSE引腳電流逐漸增大，通過(guò)RS電阻INSENSE引腳電壓逐漸拉高，當(dāng)Vsense>1V時(shí)，PWM比較器輸出為高，則RS觸發(fā)器Reset引腳觸發(fā)復(fù)位，RS觸發(fā)器輸出為高，則或門輸出為高，UC3842輸出端OUTPUT為低，MOS管關(guān)斷，RS上電阻電流瞬間減小，INSENSE電壓也快速地減小（<1V），PWM比較器輸出為低，PWM波占空比由振蕩器決定，如此往復(fù)。

電阻RS的大小由MOS管導(dǎo)通電流決定，RS=1/IDS。

5.振蕩器部分

如圖2所示，振蕩器接引腳RT/CT，定時(shí)電阻串聯(lián)在VREF和RT/CT之間，定時(shí)電容通過(guò)RT/CT接地。定時(shí)電阻RRT、定時(shí)電容CCT提供具有一定放電時(shí)間和充電時(shí)間的鋸齒波，通過(guò)RRT和CCT可以設(shè)置振蕩器產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)算公式如下：

（1）振蕩器可以工作在高達(dá)500KHz頻率下，其波形峰值為1.7V。要求芯片UC3842死區(qū)時(shí)間不超過(guò)振蕩器時(shí)鐘周期的15%，而死區(qū)時(shí)間由電容CCT的放電電流決定（詳見(jiàn)datasheet），并且死區(qū)時(shí)間與CCT容值成正比，因此要選擇具有較小容值的電容。

在死區(qū)時(shí)間/放電時(shí)間內(nèi)，輸出端OUTPUT一直為低電平，MOS管為關(guān)斷狀態(tài)。最大占空比由下式限制：

可理解為在死區(qū)時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)管是關(guān)斷的，其他時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)管是導(dǎo)通的，振蕩頻率足夠大，死區(qū)時(shí)間可以忽略不計(jì)，則時(shí)鐘信號(hào)最大占空比可以達(dá)到100%。

（2）開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲尖峰信號(hào)耦合到振蕩器RT/CT端。在較大占空比下，足夠大的尖峰信號(hào)會(huì)影響振蕩器的正常工作，則需選擇具有較大容值的CCT，建議不小于1000pF。需綜合考慮。CCT和RRT的大小對(duì)振蕩器的波形影響如圖7：

 圖7.RT/CT選型波形圖

左圖為大電阻小電容，充電慢放電快，則PWM Latch "Set"端占空比小，芯片OUTPUT輸出PWM波占空比可調(diào)范圍大，右圖為小電阻大電容，充電快放電慢，則PWM Latch "Set"端占空比大，芯片OUTPUT輸出PWM波占空比可調(diào)范圍小。

6.輸出端OUTPUT信號(hào)

輸出端通過(guò)兩個(gè)三極管連接進(jìn)行推挽輸出設(shè)置，當(dāng)Q為“1”時(shí)，上方三極管基極電壓為低，下方三極管基極電壓為高，則上方三極管截止，下方三極管導(dǎo)通，OUTPUT接地，輸出低，MOS管關(guān)斷；當(dāng)Q為“0”時(shí)，上方三極管基極電壓為高，下方三極管基極電壓為低，則上方三極管導(dǎo)通，下方三極管截止，OUTPUT接VCC，輸出高，MOS管導(dǎo)通。

根據(jù)RS觸發(fā)器，VREF Good Logic、或門各信號(hào)來(lái)分析OUTPUT輸出，如圖所示：

 說(shuō)明：當(dāng)INSENSE引腳>PWM波比較器反相端電壓時(shí)（最大為1V），PWM比較器輸出信號(hào)D為“1”，反之為“0”；

振蕩器輸出信號(hào)B為固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，占空比由CCT、RCT大小決定；

信號(hào)C為RS觸發(fā)器輸出信號(hào)；

信號(hào)A為參考電壓邏輯輸出信號(hào)，當(dāng)參考電壓正常輸出為5V時(shí)，A為“1”，低于3.6V時(shí)A為“0”。

結(jié)合圖7 RT/CT選型波形圖，真值表如下圖所示：

因此在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，只有從Set信號(hào)下降沿變?yōu)榈碗娖介_(kāi)始，到Reset信號(hào)上升沿剛開(kāi)始變?yōu)楦唠娖浇Y(jié)束，即圖7中的t1on/t2on階段。

整體解釋OUTPUT引腳輸出：電容放電時(shí)間決定了振蕩器的頻率，即Latch的"Set"引腳的信號(hào)狀態(tài)。初始上電時(shí)，啟動(dòng)電阻給電容CT充電，達(dá)到芯片閾值電壓16V時(shí)，電容放電，芯片開(kāi)始穩(wěn)定工作。剛開(kāi)始的一段時(shí)間，MOS管關(guān)斷，UC3842 Sense引腳上電流感應(yīng)電壓為0，低于PWM比較器反相輸入端的電壓，則PWM Latch的"Reset"引腳為低電平，當(dāng)電容CT放電結(jié)束瞬間，PWM Latch "Set"引腳下降沿變?yōu)榈碗娖剑瑒tMOS管導(dǎo)通，在此期間，Sense引腳上電流感應(yīng)電阻感應(yīng)電壓逐漸上升，上升到等于PWM比較器反相輸入端電壓時(shí)，PWM比較器輸出為高電平，即PWM Latch的"Reset"引腳為高電平，則MOS管突然關(guān)斷，Sense引腳上電流感應(yīng)電阻感應(yīng)電壓瞬間降低為0，小于PWM比較器反相輸入端的電壓，PWM比較器輸出為低電平，則"Reset"引腳立馬變?yōu)榈碗娖健４穗A段"Set"引腳和"Reset"引腳均為低電平，保持上一階段的輸出，則MOS管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，直到下一次電容CT放電結(jié)束，"Set"引腳下降沿出現(xiàn)MOS管再次開(kāi)啟，如此循環(huán)往復(fù)，控制MOS管開(kāi)啟、關(guān)斷時(shí)間。

從上述過(guò)程中可知，可以通過(guò)控制輸出補(bǔ)償端的電壓大小來(lái)調(diào)整MOS管占空比大小。拉高COMP引腳電壓，占空比增大；拉低COMP引腳電壓，占空比減小。COMP引腳電壓不得超過(guò)6V （Datasheet上有個(gè)高水平輸出，有個(gè)低水平輸出，不太理解什么意思）。

思考：在RS觸發(fā)器這里，B、D可以同時(shí)為“0”或同時(shí)為“1”嗎？

總結(jié)

從各個(gè)引腳以及芯片結(jié)構(gòu)框圖并結(jié)合實(shí)際原理圖詳細(xì)解釋了UC3842各個(gè)引腳的功能及內(nèi)部工作原理，從而對(duì)UC3842有了更深刻的理解，便于設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路。