SciTech-EECS-Circuits-Power-PWM 控制器: PWM 的 "三种(脉频/脉宽/组合)调制方式 和 三种采样及闭环控制方式" + 应用之 UC3842 / KA3842 电路设计 与 快速检修

SciTech-EECS-Circuits-Power-PWM 控制器:

PWM 的 三种调制方式 和 三种采样及闭环控制

PWM 的 三种调制方式

"脉频(脉冲频率)调制"和"脉宽(脉冲宽度)调制"是"开关模式电源"PWM的三种常用设计:

• 脉频调制, 每pulse 周期 的 Duty保持恒定，但 "pulse 的频率" 因 "负载"的增加而增加 达到“恒流输出”。
  
  但脉冲频率调制技术在开关电源应用要注意一些问题。
• 脉宽调制, 每pulse 的周期(频率)保持恒定，但 pulse 的Duty 因"负载"的变化而变化。
  
  Duty(导通时间)随着负载的增加而增加, 达“恒流输出”。
• 组合脉频+脉宽调制, 既“变宽(Duty)”又“变频”地“闭环自动智能调节”。

PWM的 三种采样及闭环控制：

• 来样“初级电压”闭环控制PWM电路:
  
  采样"换能电感初级侧"的反馈电压("开关管侧"), 与"基准参考电压"比较, 负反馈调控设定 PWM的Duty。
• 采样“次级电流”闭环控制PWM电路:
  
  采样"换能电感次级侧"的输出电流("负载侧"), 并与"基准参考电压"比较, 负反馈调控设定 PWM 的Duty。
• 组合“初级电压(快速)”与“次级电流(实效)”:
  
  例如"逆变直流焊机"的组合“采样初级电压(快速)”与“采样次级电流(实效)”。

常用的PWM芯片

UC/KA 3842/3843 系列与 SG/KA 3525系列都非常的常用。

UC/KA 3842/3843 系列的官方文档(TI)

对比多方大有用,例如对比"TI" 与"ST Micro" 的官方文档。

https://www.ti.com/document-viewer/uc3842/datasheet

其产商大体有 "TI"和"ST Micro":

• TI: https://www.ti.com/lit/gpn/uc2842
• TI: https://www.ti.com/lit/gpn/uc3843
• ST Micro: https://www.st.com/en/power-management/uc3842b.html

UC3842的电路特点

• 脉宽调制("定频脉宽调制方波")的PWM"方式:
  
  采用固定"工作频率"反馈调节"Duty(脉冲宽度)"的"调制方式",
• 双(电压与电流)闭环负反馈”稳态电路:
  • "电压"闭环负反馈
  • "电流"闭环负反馈:
    
    Pulse-by-pulse current limiting(每脉冲周期"电流值"保护),
    
    确保"过流/过载/短路"保护的“第一时间生效”与“可靠”。
  • 提供稳定的 +5V的"基准参考电压Vref(Pin8)",
    
    任Pin7(Vcc)在Vturnon~28V正常变动，电网电压大范围波动，
    
    都能设计出高度"精准、稳定、可信"的:
    • 输出电压、输出电流、闭环响应。
    • 电路保护: 欠压(UVLO)、超压(OVLO)、OC(过流)、SC(短路)
• 极低的起振电流(Low start-up current, < 1mA)
• PWM输出的频率可高至500KHz, 输出驱动电流峰值可达1A.直驱MOSFET。
  
  High-current totem-pole output. Peak currents of up to 1 A are sourced and sunk by this pin. OUTPUT is actively held low when VCC is below the turnon threshold.
  
  当VCC低于Vturnon(欠压开启电压)时，Pin6(Output)主动保护关断。

UC3842B(Active/在生产, Current Mode PWM).

The UC284xB family of control ICs provides the necessary features to implement off-line or DC to DC fixed frequency current mode control schemes with a minimal external parts count. Internally implemented circuits include:

• a trimmed oscillator for precise DUTY CYCLE CONTROL UVLO(Under Voltage LckOut) featuring start-up current less than 0.5mA,
• a precision reference trimmed for accuracy at the error amp input,
• logic to insure latched operation,
• a PWM comparator which also provides current limit control,
• a totem pole output stage designed tosource or sink high peak current.
  
  The output stage, suitable for driving N-Channel MOSFETs, is low in the off-state.

Differences between members of this family are the UVLO(Under-Voltage LockOut) thresholds and maximum duty cycle ranges.

• The UC2842B and UC2844B have UVLO thresholds of 16V (on) and 10V (off), ideally suited off-line applications
• The corresponding thresholds for the UC2843B and UC2845B are 8.5V and 7.9V.
• The UC2842B and UC2843B can operate to duty cycles approaching 100%.
• A range of the zero to < 50 % is obtained by the UC2844B and UC2845B by the addition of an internal toggle flip flop which blanks the output off every other clock cycle.

UC3842 的引脚图

引脚图	应用简图

共有8个pin(引脚)，各脚功能如下：

1. "误差放大器"输出端, 外接补偿元件用于改善"误差放大器"输出的"增益、响应和频率特性";
   
   Error amplifier compensation pin. Connect external compensation components to this pin.The error amplifier is internally current-limited. so the user can command zero duty cycle by externally forcing COMP to GROUND.
   
   误差放大器(UC3842内部的)输出电流是"有保护限制的".
   
   将 "Pin1(COMP)短接到地"将使PWM输出强行关断(Duty置为0).
2. "负反馈电压输入端", 其电压与"误差放大器"的"+(同相)端"的"2.5V的Vref比较而产生"误差电压"控制Duty脉宽。
   
   Inverting input to the internal error amplifier, VFB is used to control the power converter voltage-feedback loop for stability.
   
   内部"误差放大器"的"-(反相)输入端"。
   
   VFB用以控制“电能转换器”的“电压负反馈环路”达到“输出电压稳定”目的。
3. "电流检测输入端"，
   
   当"检测电压"超过1V时, 缩小"脉冲宽度"使电源处于间歇工作状态。
   
   Primary-side current sense pin. Connect to current sensing resistor. The PWM uses this signal to terminate the OUTPUT switch conduction. A voltage ramp can be applied to this pin to run the device with a voltage-mode control configuration.
   
   PWM使用Pin3(Isense)信号触发“Output(Pin6)”的“波形脉冲”停止振荡。
4. "时间参数调整端"("固定工作频率"的"内部振荡器"), 由其"外接阻+容"确定"时间常数"(振荡频率), 计算函数为 \(\large f_{osc}=\dfrac{1.72}{ R_T \times C_T }\)。
   
   Fixed frequency oscillator set point.
   
   Connect timing resistor, RRT, to VREF and timing capacitor, CCT, to GROUND from this pin, to set the switching frequency. For best performance, keep the timing capacitor lead to the device GROUND as short and direct as possible. If possible, use separate ground traces for the timing capacitor and all other functions.
5. GND(公共地端);
6. "推挽输出端", 内部为"Totem Pole(图腾柱式)"，上升、下降时间仅为50ns, 驱动能力为±1A。
7. "Vcc(直流电源供电端)", 有UVLO(欠压锁定)、OVLO(超压锁定)功能，芯片功率只有15mW;
   
   A bypass capacitor, typically 0.1 µF, connected directly to GROUND with minimal trace length, is required on this pin. An additional bypass capacitor at least 10 times greater than the gate capacitance of the main switching FET used in the design is also required on VCC.
8. "5V的Vref(基准电压)输出端"，有50mA的负载能力。
   
   5V reference voltage. VREF is used to provide charging current to the oscillator timing capacitor through the timing resistor. Bypassing VREF to GROUND with a ceramic capacitor connected as close to the pin as possible is important for reference stability. A minimum value of 0.1-µF ceramic is required. Additional VREF bypassing is required for external loads on VREF.

UC3842组成的电源电路两例

图2 用UC3842驱动的电源原理图 及 电路解析

1. 220V市电由C1、L1滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电阻Rt1限流，
2. 后经VC整流、C2滤波，电阻R1、电位器RP1降压,
3. 后加到UC3842的供电端(7脚)，为UC3842提供 "启动电压"，
   
   "电路启动成功" 后, "变压器的次级绕组③④"的"整流滤波电压":
   • 一方面，将为UC3842提供"正常工作"的电压，
   • 另一方面，经R3、R4分压加到"误差放大器"的"-(反相输入)端:2脚"，为UC3842提供"负反馈电压"，
     
     其规律是"Feedback(负反馈)("此脚"的"电压"越高，则"驱动脉冲"的"Duty(占空比)"越小)，以此稳定输出电压。
4. 4脚和8脚外接的 "阻+容(R6、C8)"决定"振荡频率"，其振荡频率最大值可达500KHz。
5. R5、C6用于改善增益和频率特性。
6. 6脚 输出的 "方波信号" 经 R7、R8分压后, 驱动MOSFEF功率管; 变压器初级绕组①②的能量, 传递到次级各绕组，经整流滤波后输出"各数值不同"的直流电压供负载使用。
7. 电阻 R10 用于 电流检测, 经R9、C9滤滤后, 送入UC3842的"3脚"形成"电流反馈环".
   
   当UC3842的""3脚"的"电压"高于1V时振荡器停振，过流及短路保护功率管不至于损坏。
   
   所以由UC3842构成的电源是"双(电压与电流)闭环控制系统", 电压稳定度非常高, 保护功能全面。
8. 升级版：
   • R2改为100K。
   • 采用 "线性光耦" 改变 "误差放大器" 的 "输入误差电压"。

官方电路图

UC3842的调试策略

先易后难.

1. 等效为 "数字电源" 的 "先调电流内环，后调电压外环"的流程。分步调试电路，确定与解决问题。
2. 确定"启动电压()"能使UC3842"起振工作"并且5V的Vref(基准参考电压)正常
   • Pin7工作电压: Pin 7在12V~28V, 上电后测对GND脚的电压值在此正常范围。
   • Pin8的5V的Vref(基准参考电压)正常: 测此Pin8当为5V(先确定好工作电压正常).
     
     先确定"Pin8"连接元器件没问题后，可拆下UC3842往Pin7供12V~28V,测Pin8是否5V正常。
   • 起振调试: 起振电流在1mA左右, 一是调节串联电位器RP1使电路起振;
     
     如果Pin7连的"电解电容"过小，Pin7串接的电阻过大或电感开路，则不起振.
3. "电流反馈闭环"的调试:
   • 确定Pin3(Isense)连接的"电流检测部分"都正常:
     
     对比Isense引脚在"空载"、"带载"与"短接输出"时的"电压值"(用万用表"电压档"检测)。
   • 后检测输出的"电流采样电路"各元器件正常.
     
     解决因"Pin3(Isense)"连接的电路元器件造成的"过载/短路保护".
4. "电压反馈闭环"的"开环到闭环调试"策略：
   • 先"开环": 将FB(电压反馈)引脚"接地"后在COMP引脚上连接可调电压，
     
     确定 "改变COMP引脚的电压, 能改变芯片输出PWM的Duty"。
   • 后"闭环": 恢复FB(电压反馈)引脚(断开"接地"), 使电压误差放大器工作,
     
     调节反馈参数进行输出电压闭环即可。

UC3842 / KA3842 快速检修

https://www.dianyuan.com/article/30952.html

UC3842是目前应用面积最广的电源控制芯片(大量应用在开关电源PWM)。

其电源“不起振或轻微起振”的故障现象最多，本文将对这些常见问题总结:

uc3842/3844正常工作时各引脚常态电压

• 调查UC3842电路，可以先断开其"开关管的C(三极管)或D(MOS管)极" 的 "供电"，
  • 能保障"测得UC3842的每脚电压值" 较为"准确"而且快捷。
  • 将每脚的"测得电压值"与其"常态电压"一一比较, 排查“导致错误的原因”。
• 注意 Pin7(Vcc)在12~28V范围都能使uc3842/uc3844正常工作,
  
  不同的“正常Vcc”时:
  • 只有8Pin的vref恒为5V.
  • 其它Pins: 1,2,3,5,6 的常态电压将有对应“正常范围”的变化。
• UC3842的Vcc(Pin7)供电方式:
  • 用"启动电阻式"起振的: 未启动(起振)时, Pin8(Vref)电压是没有5V的，
  • 用"另外电源"供电: 确定Pin7电压正常(12~28V, 后查Pin8有没有5V基准电压.

"常态电压(参考值)"，都是日常工作总结出的，多“厚积薄发”是正道。

先将uc3842/uc3844正常工作时各引脚"常态电压(参考值)"列表:

pin	常态电压(参考值)	Note
1Pin	1.5V	COMP("电压闭环"的"补偿引脚")
2Pin	2.5V	Vfb("电压闭环"的"负反馈电压信号的输入引脚")
3Pin	0.005V	Isense(采样"次级输出电流"的信号电压)
6Pin	1.05V	Output(Totem Pole图腾柱式输出级的输出驱动引脚)
7Pin	14.1V	Vcc(12~28V, DC电源工作电压输入引脚)
8Pin	5V	vref(~5V, 基准参考电压输出引脚)

• Pin7(Vcc)有13~15V跳动是正常的(这是启动电压), 通电瞬间大于16V的启动电压。
  
  判断Pin7启动电压是否正常，可断开Pin7，只要前电天大于16V以上的都正常。
  
  如果该电压不正常(偏小或不跳动)，而断开Pin7, 前电压又大于16V, 则多数为3842损坏(还要参考其它脚的电压)。
• Pin3(Isense)是过流保护，采样过流的信号电压, 只在"通电一瞬间"才有,
  
  Pin3电压只要 "不大于1V以上" 的都属正常。通常会有零点几伏的电压。
  
  Pin3电压是否为0V, 则要看具体电路有没有提供偏置电压。
• Pin8(Vref)只在UC3842正常工作 或 者 另供工作电压给Pin7时才为+5V。
  
  故障时是不能以它有没有+5V为判断依据。通常不以该脚电压为参考依据。
• Pin1(COMP)与Pin2(Vfb)的电压: 它们是"电压闭环"的 "稳压和过压保护"端:
  • Pin1不能等于0V(可短接至GND测验), 不大于多少伏视电路实际结构而定.
    
    Pin1常为 "0.5V左右(电源不工作时)" 或 "3.5V左右(电源工作时)" 。
  • Pin2电压不能大于2.5V以上. 当开关电源"输出电压"过高时, 则考虑Pin2电压偏低。
    
    Pin2常为 "0.05~0.2V左右(电源不工作时)" 或 "2.3V左右(电源工作时), 具体多少看电路结构。
• UC3842的Pin6(Output)在“断开驱动负载时”有0.8V左右的电压, 均可认为电路基本正常;
  • 例如: 断开(或不装)MOS管, 而直接给UC3842通电以判断其是好的:
    • Pin8(Vref)电压5V左右摆动。
    • Pin7(Vcc)电压12—15V摆动。
    • Pin6(Output)电压2.5V摆动。
  • UC3842的Pin6(Output)在"断开驱动负载时"正常, 而后接入MOS管:
    • 如果电源仍不正常，则要看开关管的G极, 有没有与Pin6(Output)同一电压.
      
      假设没有, 就要检查该分路的电阻、二极管、稳压管。
    • 如果 MOS管的G极 与 3842的Pin6(Output)同时没有电压，
      
      则要检查第1、2、3脚的电压是否正常, 不正常查有关的电路。

常用检修排障

1. 首先检查7Pin所连接的电解电容（或者反馈线圈所连接的电解电容），
   
   查看其容量是否符合要求，如该电容容量明显减小，更换后应该不起振的故障就能恢复；
   
   如该电容正常，进行下一步检查。
2. 在电路板上给uc3842/uc3844的7Pin加独立的16V电压，测量其8Pin是否有5V，
   
   此步骤主要是检测c3842/uc3844是否损坏, 如果没有损坏，可排除故障出在初级部分.
   • 如果测量8Pin有5V电压存在，则说明此芯片没有问题。
   • 如没有5V电压，须将uc3842/uc3844拆下来单独加电16V至7Pin，测量8Pin是否有5V，
     • 如果仍然没有5V，则可证明芯片已经损坏；
     • 如果测量8Pin有5V存在，则应该是与8Pin相连接的外围元器件与地之间有短路存在。
   • 检测uc3842/uc3844损坏与否的另一种方法：
     
     在检测完芯片外围元器件, 或更换完外围损坏的元器件后,
     
     先不装电源开关管，加输入电测uc3842/uc3844的7Pin电压，
     • 若7pin电压在10—17V间波动, 其余各脚分别也有电压波动, 则已起振, uc3842正常，
     • 若7pin电压低, 其余管脚无电压或电压不波动，则uc3842/uc3844已损坏。
3. 检查次级侧( 常为"换能电感"的"次级输出"过载或短路 ),
   
   当采样的"次级输出"电流过大, 会反馈到初级侧使uc3842/uc3844芯片的3Pin实现保护，
   
   这需要对"次级侧"实现"过流保护"的电子元器件进行逐一测量，直至查出故障。
4. 开关电源的"尖叫声"问题
   
   开关电源有尖叫声, 一般为两种情况：
   • "次级"有短路: 通电测UC3844的VCC与Vref等电压正常,
     
     "过载或短路"引起"次级输出电流过大", 一段时间后断电, 摸"换能变压器"和"功率管"将有温升。
     
     那么必定是 "开关管"及其"外围驱动电路"的异常, 引起开关管的功率过大发热,
     
     如果"换能变压器"和"功率管"无发热, 大体排除"次极短路"情况, 查MOS管是否损坏。
   • 开关频率低:
     
     "开关频率低", 不会引起"开关管发热快甚至根本不过热"。
     • 先测: Pin6(Output)到MOS管的G极的元器件, 常为贴片电阻变值, 或其它有关元件问题;
       
       例:测有关电阻, 已变值增大为8.45KΩ, 加上MOS管G-S极的27KΩ电阻"分压",
       
       使MOS管 "实际驱动电压"的"幅度下降", "波形前后沿变形", MOS管带动电感"发出尖叫声".
     • 后测: Pin4(RT/CT)连接的Rt与Ct; 确定是Rt/Ct的必要时换Rt与Ct.
5. 开关电源UC3842检修流程
   
   使用UC3842的开关电源外围大同小异，检修方法基本一样，
   
   以下流程检修的前提：
   • 开关管无短路，开关管对地限流保护电阻无开路，在通电时开关管不会击穿.
   • 注意: 先测Pin7的15V供电是否正常.
     • Pin7没有电压，就检查启动电阻或启动电路:
       • 部分机型Pin7使用一个独立的二极管整流供电，
       • Pin7脚连接的对地"稳压管"短路；
     • Pin7有电压但电压高: 换Pin7对地滤波电容, 100UF/50V:
     • Pin7有电压但电压低且波动: 3842的双闭环调整电路故障。
     • Pin7与Pin3(Isense)的电压低且波动：重点检查FBT同步反馈电路的二极管;
       
       有光耦的机型检查后级光耦输入端, 重点检查IC(LM431)周边。
     • Pin7电压正常时, 关机测300V DC电压消失速度：
       • 3842起振: 则能"很快消失";
       • 3842未起振: 则300V DC电压不消失. 检查Pin3(Isense)对地1K电阻 和 对地"稳压管" ，
         
         当Pin3(Isense)电压为0V时(可短接地), Pin6(PWM Output)的Duty为0，uc3842停振.
         
         另检查Pin1(Vfb)和Pin2(COMP)的外围电阻、电位器, 或换3842。

有关UC3842的其它一些注意事项:

基于UC3842芯片的"BUCK降压电源"(使用非同步整流拓扑):

如果不是成本等条件制约, 仍特别推荐使用现成的MOSFET集成电路芯片.

在调试上图电路过程，遇到如下问题：

• "换能电感"有尖叫响声:
  
  "尖叫声"是"换能电感"的电流谐波有低于20kHz的波(人耳可闻频率范围)分量。
  • 可能“有短路/过载保护”, 查Pin3(Isense)的“电流闭环反馈”
  • 可能“电路元器件或设计问题”: UC3842输出的PWM波形有大小波现象:
    
    Duty从极小到极大在震荡变化, 尽管MOS管能正常驱动, 输出电压也正常,
    
    并且能带负载(例如输出10A的电流).
• 输出PWM波形不连续
• "PWM频率" 与 "RT+CT上的锯齿波的频率" 不同
  
  输出的高电平时间与UC3842直接输出的PWM波形的高电平时间不完全一致:
  
  自举电路输出的高电平时间略微长一点，但此问题影响不大。
• MOSFET自举驱动的下降沿特别缓慢:
  
  通过将电路上的电容C39和C37调大至3.3nF, 得以解决.
  
  目前驱动波形的上升沿和下降沿符合需求。