基于UC3842的电源变换器设计

随着多电飞机和全电飞机成为现代飞机的发展趋势，同时由于现代电力电子技术的飞速发展，直流稳压电源在航空领域得到了广泛的应用。根据某型飞机对直流电源的实际需求，本文设计了一种直流电源变换器。该变换器主要是将飞机发电机输出的三相交流电变换成直流电源，供飞机上某些直流负载使用。飞机发电机发出的三相交流电经整流、滤波后，输入到DC/DC模块，利用电流型脉宽调制器UC3842，完成稳定直流输出，同时结合UC3842的特点还设计了过流、过压和欠压等保护功能。

1、芯片介绍

UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉冲宽度调制器。电流型控制即在脉宽比较器的输入端直接感应到的输出电感电流与误差放大器输出信号进行比较，来控制输出脉冲的占空比，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化。UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，采用单端输出方式，可直接驱动双极性晶体管和MOSFET管，具有引脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良以及价格低廉等优点，具有输入和参考欠压锁定、逐相电流限制等保护特性。应用中UC3842采用的是8脚双列直插塑料封装，其内部主要由5.0V基准电压源、用来精确地控制占空比调整的振荡器、衰减器、过流检测比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET管的大电流推挽输出电路等构成，其内部结构及管脚图如图1所示。

图1  UC3842内部结构与引脚图

如图1中，芯片的1端为COMP端，该管脚为芯片内部误差放大器的输出端，该脚外接RC网络可用于环路补偿，用以改善误差放大器的闭环增益和频率特性；2脚为VFB，是电压反馈脚，它是误差放大器的反相输入端，与芯片内部2.5V的基准电压进行比较作为误差放大器的输出；3脚是CURRENTSENSE，为电流测定端，用于取样电流，当外端串接的取样电阻上的电压大于1V时，UC3842将停止输出触发脉冲，使开关管截止，从而保护开关管不至于因过流而损坏，因此可以用于设计过流保护；4脚为RT/CT端，CT由8脚输出的5V参考电压通过RT充电，再由一个内部电流放电，从而产生振荡，振荡器频率f可由下式计算：f=1.8/（RT×CT）kHz，式中：RT的单位为kΩ，CT单位为μF；5脚为GROUND，为控制电路和电源的公共地；6脚为OUTPUT端，是推挽输出端，该输出端用来驱动开关管的门极，控制开关管的关断；7脚是VCC，提供芯片工作的电源，芯片可以工作在8~40V，另外UC3842还具有输入电压欠压锁定门限，分别为16V（通）和10V（断）；8脚是VREF，为参考输出端，向外提供基准电压5V，带载能力为50mA，它通过定时电阻RT向定时电容提供充电电流。

2、设计原理

在实际设计中电源变换器可以划分为三个部分，即辅助电源单元、PWM控制单元和DC/DC变换单元。辅助电源为一个由小功率DC/DC隔离变压器和UC3842组成的单端反激式开关电源，它负责向PWM控制电路提供一个稳定的15V直流工作电压。PWM控制电路也由UC3842组成，通过反馈电源电流信号供PWM控制器进行控制及过流保护，同时采样输出电压，进行分压、比较，并将信号反馈给PWM控制器，使PWM控制器产生相应的导通与关断占空比变化的PWM信号来控制斩波开关管的导通与截止，而使输出电压稳定，同时可完成输出电压的欠压和过压保护功能。

辅助电源是一个由UC3842组成的单端反激式开关电源，电路如图2所示。

图2  辅助电源单元电路图

根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供能量。如图2，输出15V的直流，作为后级控制芯片的正常工作电压。同时反馈输出电压，利用TL431进行过压保护。TL431是三端可编程并联稳压二极管，通过两个外部电阻可从Vref编程至36V。其典型应用电路如图3所示。在图中，Vout=（1+R1/R2）×Vref。

图3  TL431典型应用电路

由于TL431的基准电压Vref为2.5V，根据图3中R13、R14配置，可将其输出基准电压编程至15V，这样当变压器N3线圈输出电压大于15V时光耦U2导通，则变压器N2线圈的输出向UC3842的2脚提供反馈电压，使2脚的电压升高，内部保护电路起动，使6脚输出脉冲高电平时间变短或不输出高电平使开关管截止，从而减小输出电压。电路中R2、C2和D2构成了吸收电路，用于消除变压器漏感产生的反峰电压，从而保护开关管不被烧毁。

PWM控制电路如图4所示，该模块主要完成向控制DC/DC变换的场效应管提供PWM信号。当刚启动时而前级电路输出的电压达到UC3842的开通门限电压16V时，UC3842开始工作，通过6脚输出控制PWM脉冲波驱动MOSFET管的开通与关断，电路的输出端采用了图腾柱式输出，从而达到直流斩波的作用。为了得到稳定的直流电源，与前级电路相似，采用了对输出电压进行反馈采集，通过TL431实现对输出电压过压的控制。配置电路中的R9、R10、R12，使基准电压编程至过压点32V，当输出电压大于32V时，光耦导通，这样1脚的补偿信号将接到反馈输入的2脚，形成环路补偿，这样6脚输出的脉冲高电平时间变短，减小斩波的占空比，从而减小输出电压。另外，电路还设计了输入过流保护，这是利用UC3842的3脚完成的。电源电流经电流互感器（CT）通过一定的变比成为取样电流，经过取样电阻R3后输入到3脚，当取样电阻上的电压大于1V时，UC3842将停止输出触发脉冲，使开关管截止，从而保护开关管，这样就达到了过流保护的功能。电路中，4脚的输出端接了一个三极管，这是用来进行斜率补偿的，被缓存的振荡器斜升可以与电压反馈或电流取样输入阻性相加，以提供斜率补偿。

图4  PWM控制单元电路图

3、设计总结

在电源变换器的设计中，由UC3842组成的反激式开关电源是整个变换器的关键部分，核心部分为PWM控制单元。利用现有的飞机发电机输出电压作为开关电源的输入，得到PWM控制单元的直流工作电压，同时利用UC3842良好的控制特性实现对场效应管通断的控制，另外结合其工作特性，设计了过流、过压等保护电路，保证了电源变换器的正常工作。