UC3846实现48V/50A通信电源

概述

开关功率电路分为电流模式控制和电压模式控制两种，UC3846是峰值电流模式控制的芯片。对于如图1所示电压模式控制，其优点是：只有电压环，单环控制容易设计和分析；波形振幅坡度大，因而噪声小，工作稳定；多模块输出时，低阻抗输出能提供很好的交互控制。缺点是：电网或负载的扰动必须转化为输出扰动，才能被电压环反馈，因此系统响应慢；输出LC滤波电路给系统增加了两个极点，这就需要在补偿网络增加零点或者需要一个低转折频率的主极点；环路增益随输入电压而变化，因而补偿网络设计较复杂。

图1  电压模式控制

图2所示电流模式控制在BUCK电路中的应用，和电压模式控制比较时钟信号只是使电源工作在固定的频率，PWM比较器的另一个输入是用从电感电流取得的信号代替了晶振，当电感电流的模拟信号超过了误差放大器输出的值Ve，脉宽关断。

图2  电流模式控制

电流模式控制的优点是：电感电流的上升坡度为Vin-Vo，所以电感电流的波形对电网电压的变化能迅速响应，避免了响应延时和增益随输入电压的变化而变化；误差放大器用来控制输出电流而不是输出电压，所以电感可以看作误差电压控制的电流源，输出滤波电路可以简化为单极点电路（输出电容并联负载电阻），这就使补偿电路简化，并且比电压模式控制具有更大的增益带宽；误差放大器的输出钳位达到逐脉冲电流限制的目的；电源模块并联时均流容易实现。

电压模式控制的所有显著缺点都被电流模式控制克服了，所以电流模式控制得到了越来越普遍的关注和应用。但在应用电流模式控制时也要注意以下问题：占空比大于50%时，控制回路不稳定，这时需加斜坡补偿；控制调节电路是基于从电感电流取得的信号，因此功率部分的振荡容易将噪声引入控制电路。

芯片结构

图3  UC3846结构图

由图3我们可以看到，UC3846通过用一个放大倍数固定为3的差动电流检测放大器（其输入小于1.2V）来获得电感电流或开关电流信号，该电流检测放大器即使在低检测电压时也能保持高噪声抑制。PWM比较器的另一端接电压误差放大器，电压误差放大器的输出作为给定信号，电压误差放大器的输出同时被限流调整端（脚1）钳位在V脚1+0.7，从而完成了逐脉冲限流的目的。当差动电流检测放大器检测的是开关电流而不是电感电流时，由于开关管寄生电容放电，检测电流会有一个较大的尖峰前沿，可能使电流检测锁存和PWM电路误动作，所以我们在电流检测输入端加RC滤波。

UC3846在晶振信号通道上全部采用了NPN的晶体管取代开关速度慢的PNP的晶体管，所以即使在1MHz的工作频率上也有很好的温度稳定性和波形。

晶振频率由以下公式确定：

f=2.2/R1C1

为了减小噪声对晶振的影响CT应选择大于1000pF的电容，本设计选择了4000pF的晶振电容，7K的晶振电阻（工作频率80K）。对于主电路拓扑为全桥电路的情况，为了防止开关管的全导通，要设定开关管都关断的“死区时间”，“死区时间”由晶振的下降沿决定，UC3846的死区时间为：

Td=145Ct

UC3846的软启动和关断信号也是连到限流调节端1脚的。由图3我们可以看出1脚的电位低于0.5V时无脉宽输出，我们在1脚连电容到地如图5所示，开机后随着电容的充电，电容电压高于0.5V时有脉宽输出，并随着电容电压的升高脉冲逐渐变宽，完成软启动功能。当外部有“关断”信号到16脚时（一个高于350mV的高电平），关断比较器输出高电平触发晶闸管导通，软启动电容放电，1脚电位降低到低于0.5V，输出关断。低电压锁存也通过一个PNP三极管接到了限流调整端脚1，当参考电压达到低压锁存门限时，三极管导通，1脚电容通过三极管放电，1脚电位降低，输出锁存；当参考电压升高超过低压锁存门限时，三极管关断，1脚电容充电，电位上升，恢复输出脉宽。

图4  主电路拓扑—双晶体管正激电路

电路设计

主电路主电路如图4所示，采用了双晶体管正激式变换电路以减小关断时开关管两端的电压（本主电路的输入接前级功率因数校正电路的输出400V），上下两组开关管关断期间通过上下的续流二极管将高频变压器原边中存储的能量释放回电网。这种电路拓扑高频变压器不易饱和，上下两组开关管同时导通同时关断，避免了全桥电路和半桥电路的开关管直通问题，因此电路可靠性高。这种拓扑结构广泛应用在中、小功率的电路中。

控制电路

图5  控制电路

控制电路如图5所示，采用了峰值电流型控制芯片UC3846，其最大占空比小于50%，保证高频变压器原边中存储的能量释放完。由图1可以看出电流环的给定是电压环的输出，所以输出电压调节和输出电流调节都是通过调节UC3846的电压给定来完成的。第1脚限流调节端设定在4V，如图所示即电流给定限定在3.5V。为了改善工作性能，电流检测端接有RC滤波（电阻为10K，电容为100pF）。为了电路的稳定运行从晶振取一个小信号加到电流检测的正极性端，完成斜坡补偿的功能。为了补偿网络的稳定工作，我们在第7脚补偿端加了电阻电容串联到地（电阻为1K，电容为1nF）。最后UC3846的输出通过TC4424放大后接驱动脉冲变压器给主电路提供驱动信号。

实验结果

开关管两端的波形及负载扰动时的输出波形如图6、图7所示。我们可以看到电流模式控制对于扰动有很好的响应。

图6  负载扰动时输出

图7  开关管两端波形

结论

在分析了电流模式控制和电压模式控制的特点之后，从补偿网络设计、动态响应速度、电流控制能力、多模块均流等方面考虑，电流模式控制具有比电压模式控制更优越的性能，并得到了越来越广泛的应用。应用一种峰值电流模式控制的芯片UC3846设计的48V/50A通信电源，取得了良好的性能。