UC3842 的工作原理

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#UC3842 #反激式开关电源 #占空比

于 2025-12-09 18:46:37 首次发布

本文以反激式开关电源的设计为例子，说明UC3842的工作原理。

图1：3842 反激式开关电源 12V1A原理图

图2：3842 反激式开关电源 12V1A 制成品

UC3842 介绍

UC3842 是一款专为开关电源设计的集成电路，主要用于反激式 (Flyback) 的电源转换设计。它具有高性能、低成本，且广泛应用于各种电源管理系统中。以下是UC3842的内部工作原理图：

图3：UC3842内部工作原理图

在该电路中，1脚、2脚和3脚的作用可以影响6脚输出的方波占空比。以下是具体的分析：

1脚（补偿/输出电压反馈端）：

- 1脚用于输入反馈信号，这通常来自负载的电压反馈。
- 误差放大器会根据该反馈信号与内部参考电压（通常为2.5V）的差值来调节输出信号。
- 当1脚的反馈信号发生变化时，误差放大器的输出会改变，进而影响PWM（脉宽调制）信号的占空比。可以通过1脚接GND来设置零占空比。

2脚（误差放大器的输入端）：

- 2脚是误差放大器的另一个输入端，通常用来接地或接入某些补偿元件。
- 如果2脚的电压改变，误差放大器的工作点也会被改变，进而影响PWM信号的占空比。
- 通过调节外部补偿电路，可以进一步优化系统的稳定性和响应速度。
- 如果低于2.5V, 输出较大占空比，接GND输出最大占空比，如果高于2.5V，输出占空比就是零。

3脚（电流取样输入端）：

- 检测输出电流大小的关键输入，它通过接收来自开关管源极 (S) 取样电阻上的电压，直接与芯片内部的阈值（通常是1V）比较。
- 当检测电压超过阈值时，会触发内部比较器，使占空比迅速减小，甚至关闭输出。

6脚（PWM输出端）：

- 6脚输出的是PWM信号，其占空比由振荡器的频率、误差放大器的输出以及其他反馈回路共同决定。
- 1脚和2脚的参数改变会影响误差放大器的输出，进而改变PWM信号的占空比。

启动过程

UC3842 的启动需满足以下条件：

供电要求：第7脚（VCC）必须超过16V (VCCON)才能启动。为实现此要求，设计上通常会使用桥式整流器将300V直流电经过R1 (150KΩ) 的启动电阻 (Start-up resistor) 给提供这个电压。
产生启动电压：经过启动电阻的电压给C3 (47uF) 电容充电，电压不断升高，直到使第7脚获得所需的16V以启动UC3842。
产生5V供应：一旦UC3842启动，它会在第8脚 (VREF) 输出5V电压，这个电压用于连接至第4脚 (RT/CT)的RC电路以产生锯齿波信号。这个锯齿波会令第6脚 (OUT) 输出PWM方波。
持续运行：当UC3842启动后，只要第7脚的供电保持在10V（VCCOFF）以上，芯片便可持续运作。

双路供电的必要性

UC3842需要双路供电的原因是：

电流不足：由启动电阻产生的电流通常不足以推动UC3842产生PWM方波，进而调整第6脚方波的占空比。例如，依线路图来计算，
储能过程：C3电容充满电后，开始放电，电压降低，在电容降低到UC3842的截止工作电压 (VCCOFF) 之前，变压器辅助绕组必须通过D3 (FR107) 二极管及R3 (10Ω) 电阻再给C3 (47uF) 电容充电，即是辅助绕组通过D3、R3整流后的电压必须提供稳定的12V电压给第7脚，使其能正常工作。

振荡电路

可调的振荡频率，通常在100kHz以內。UC3842的振荡电路由以下公式描述其振荡频率：

这个公式说明了振荡频率与RT（电阻）和CT（电容）的关系，提供了调整振荡频率的方式。

图4：UC3842第4脚产生锯齿波信号，频率为 46.2kHz，Vp-p 2.17V

图5：第6脚输出 PWM 方波，2脚接地 (输出最大占空比)，在没有电流保护、电压反馈之下，频率 47.6kHz，占空比高达96%。注意：第4脚产生锯齿波信号，上升沿 (表示充电开始) 此时第6脚输出PWM高电平；下降沿 (表示充电结束/放电开始) 第6脚输出PWM低电平。

图6：第6脚输出 PWM 方波，2脚接地，固定负载，有电压反馈，频率47.7kHz, 占空比11%

图7：第3脚 (电流取样输入) 波形, 电压高于1V，第6脚停止输出PWM方波

图8：第1脚 (输出/补偿) 波形，在电压反馈之下改变第6脚输出PWM方波, 当第1脚的信号从低电位转为高电位（上升沿）时，PWM 输出会设置为高电平

图9：电路時序图

反击式 (Flyback) 是一种常见的开关式电源转换器拓扑结构，主要用于电能转换和电压调节。它的名称来源于其运作过程中，储存在变压器中的能量会在「反击」期间释放。

控制开关管

· 方波控制：第6脚产生的PWM方波信号连接至Q1 8N60的栅极（G）。当高电平出现时，开关管导通，使T1变压器产生上正下负的电流，并在次级线圈中感应生成上负下正的电压。然而，次级线圈上的D4 (SF38G)二极管会阻止电流产生，因此开关管导通时，电力仅转化为储存在变压器内的磁场。

· 磁能释放：当方波转为低电平时，开关管断开，T1变压器将产生上负下正的电压，并在次级线圈中感应出上正下负的电流，「反击」释放储存在变压器的磁能。透过调节方波的占空比，可以输出不同电压的直流电。

过流保护

为了保护开关管，在开关管的源极（S）上加装了R6 (1Ω) 的电流检测电阻 (current sense resistor)，并将其连接到UC3842的第3脚（ISEN）。当电流增大时，通过电阻的电压会随之上升。如果这个电压高于1V，UC3842的第6脚将停止产生PWM方波，以保护开关管不受过流损坏。

过压反馈电路

输出端的过压保护电路是通过上分压电阻 (R14) 和下分压电阻 (R15、R17) 来实现的，这些电阻将输出电压分压后提供给TL431的第3脚。当该电压高于2.5V时，TL431接地，导致PC817光耦的第1和第2脚导通，发出光讯号。这个光讯号使得光耦的第3和第4脚的感光三极管导通，从而使第4脚的电压下降。

光耦的第4脚连接到UC3842的第1脚（COMP），当第1脚的电压下降时，输出的PWM方波的高电平时间将变得更短，从而降低输出电压，实现对过压状况的保护。