剖析有线电视网络中开关电源的UC3842原理与应用

在有线电视系统中, 涉及到电子产品上的电源, 都要求高标准、高要求的产品。尤其在有线电视信号传输上的光发射机、光接收机等都采用效率高、功耗小、安全可靠的开关电源做电源。UC3842是高性能电流型脉宽调制器 (PWM) 控制器, 电流型PWM是在脉宽比较器的输入端中, 直接用输出电流信号与误差放大器输出信号进行比较, 从而调节占空比, 使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。是目前比较理想的新型PWM控制器, 也是做开关电源的核心元件。下面就逐一剖析开关电源从UC3842的原理开始到应用。

1 开关电源中UC3842的工作原理

图1示出了UC3842内部简易图和引脚图。UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式, UC3842集成块共有8个引脚, 各脚功能如下。

(1) 脚是误差放大器的输出端。外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性。 (2) 脚是反馈电压输入端。此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较, 产生误差电压, 从而控制脉冲宽度。一般情况下此脚的电压是稳定的, 当调整此脚电压时, 6脚输出的控制信号的宽度随着变化。 (3) 脚为电压检测输入端, 电压输入为1V。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, 起到保护开关管不至于过流而烧坏。 (4) 脚为定时端。内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定, f=1.8/ (RT×CT) ;是控制6脚的输出信号频率的多少。 (5) 脚为公共地端。 (6) 脚为推挽输出端。是控制电源开关管的输出控制信号。 (7) 脚是直流电源供给端。具有欠、过压锁定功能;启动时, 电压的启动门槛值17V, 关闭是10V。 (8) 脚输出5V的基准电压。

2 开关电源及其原理 (参考图2)

2.1 什么是开关电源

开关电源就是通过电路控制开关管进行高速导通与截止的变换, 将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压, 从而产生所需要的一组或多组电压。转化为高频交流电的原因是高频交流电在变压器变压时, 电路中变压器的效率要比50Hz高很多, 所以变压器可以做的很小, 而且工作时不是很热, 成本也低, 这时这个变压器叫开关变压器。如果不将50Hz变为高频那开关电源就没有意义, 开关变压器也不神秘.就是一个普通的变压器, 所以说开关电源是效率高、体积小, 成本低等诸多优点的产品。

2.2 开关电源的工作原理是:

(1) 输入交流电经整流、滤波形成直流电。 (2) 经过开关变压器和开关管的直流电, 被高频PWM (脉冲宽度调制) 信号控制开关管导通与截止变成高频交流电。 (3) 在开关变压器次级线圈感应出多组高频电压, 其中一组反馈给控制器提供电源等, 另外几组经整流滤波供给负载。 (4) 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路, 控制PWM占空比, 以达到稳定输出的目的。

输入交流电源时, 首先要经过厄流圈, 滤过电网上的干扰信号和杂波, 同时也过滤掉电源对电网的干扰。其次整流、滤波变成纹波直流。接着经开关管的控制, 把流过开关变压器的直流变成高频率的交流。最后经过开关变压器的次级输出多组电压, 再整流、滤波供各级负载。在功率相同情况下, 开关频率越高, 开关变压器的体积就可做成越小, 但对开关管的要求就越高。开关电源还增加一些保护电路, 比如空载、短路等保护, 否则可能会烧毁开关电源。

3 UC3842开关电源的设计与调试

3.1 开关电源的设计

用UC3842芯片构成的开关电源电路 (主要元件是:T 1开关变压器、V T 1开关管、UC3842控制信号发生器) , 220V交流电由C1、L1滤除电磁干扰, 再经VC整流、负温度系数的热敏电阻Rt1限流, C2滤波后, 到电阻R1、可调电阻R W 1, 再经滤波电容C4升压至启动电压到UC3842的 (7) 脚, 为UC3842提供启动电压, 略大于17V。电路启动后, 开关变压器的次级绕组 (3) (4) 的输出电压经整流、滤波:一方面为UC3842提供正常电源, 另一方面经R 3、R 4分压加到UC3842芯片内部误差放大器的反相输入端 (2) 脚, 为UC3842提供反馈电压。其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小, 以此稳定输出电压。 (4) 脚和 (8) 脚外接C8、R6, 并且决定振荡频率, 其振荡频率的最大值可达500KHZ。 (1) 脚的R5、C6用于改善增益和频率特性。 (6) 脚输出的控制信号经R7、R8分压后驱动开关管。开关变压器初级绕组 (1) (2) 的能量经驱动开关管的作用把能量传递到次级各绕组, 然后把次级各绕组输出电压经整流、滤波后供负载使用。电阻R10用于电流检测, 经R 9、C 9滤除干扰杂波后送入U C 3 8 4 2的 (3) 脚形成电流反馈环。所以由UC3842构成的开关电源的电压稳定度非常高, 当UC3842的 (3) 脚电压高于1V时振荡器停振, 保护功率管不至于过流而损坏。

3.2 电路的调试

此电路的调试需要注意以下几点。

一是调节电位器RW1使电路起振, 起振电压17V, 换成电流约1mA左右。二是起振后变压器 (3) (4) 绕组提供的直流电压应能使电路正常工作, 此电压的范围大约为11~17V之间。三是根据输出电压的数值大小来改变R4以确定其反馈量的大小。四是根据保护要求来确定检测电阻R10的大小, 通常情况下, 电阻R10是2W、1Ω以下的电阻。

4 怎样判别UC3842好坏与故障分析

4.1 UC3842好坏的判断方法

当开关电源损坏时, 一般排查后, 重点检查UC3842及其周围零件, 在更换完外围损坏的零件后, 先不装开关管, 通电时测UC3842的7脚电压, 若电压在10V~17V间波动, 其余各脚也分别有波动的电压, 则说明电路已起振, UC3842基本正常;若7脚电压低, 其余管脚无电压或不波动, 则UC3842已损坏。在UC3842的7、5脚间外加+17V左右的直流电压, 若测8脚有+5V电压, 1、2、4、6脚也有不同的电压, 则UC3842正常, 因为工作电流小, 自身不易损坏。另外引起它损坏, 最常见原因是电源开关管短路后, 高电压从开关管的栅 (G) 极加到其6脚而致使其烧毁。而有些机型省去了G极旁的保护二极管 (VD6) 则电源开关管损坏时, 不能保护芯片。

需要注意的是, 电源开关管S极通常接1个小阻值大功率的电阻作为过流保护检测电阻。此电阻的阻值一般在0.2~0.6Ω之间, 大于此值会出现带不起负载的现象 (就是次极电压偏低) 。

4.2 分析设备故障现象

现象 (1) :通电后, UC3842总是不工作, 只听到起振声。

分析与检修:工作时, 有起动声, 但不能起动工作。根据实践经验和开关电源的工作原理全面排查, 还没有找到故障的所以然。后来再认真复查, 当通电后, UC3842的7脚电源供给端的电压接近17V, 没有达到起动电压, 这时怀疑电源供给端这部分。正常情况下, 当通电时, 电压首先经R1、RW1到滤波电容C4充电, 这时电压会升到起动电压1 7 V激发UC3842工作。但这里不能升到起动电压, 卸下起动电容 (滤波电容) C4, 用仪器检测, 有漏电现象, 换上好的滤波电容重新起动, 这时, 起动电压马上升到17V, 激发UC3842, 工作正常, 故障排除。

现象 (2) :通电后, UC3842总是烧坏。

分析与检修:拆开光发射机的开关电源盒后, 检查发现UC3842已坏, 其它未发现异常。检查开关管正常, 认为换上UC3842就可以, 谁知换上UC3842, 通电后马上烧坏。再次卸下UC3842, 全面检查UC3842的外围元件, 最后查到电阻R7烧穿和保护二极管 (VD6) 击穿短路, 电阻烧穿短路和保护二极管击穿短路直接引起UC3842的控制信号输出端短路把U C 3 8 4 2烧坏。重新换上电阻R7、保护二极管V D 6、集成电路U C 3 8 4 2, 通电后, 正常工作, 故障排除。

5 开关电源在有线电视系统中的应用

目前, 用途广泛的是在电视信号传输的光发射机、光接收机、光放机、复用器、调制器及高端信号放大器的电源部分和计算机主机电源, 显示器电源等, 它们都采用开关电源做电源, 里面的核心大部分是用UC3842集成电路做控制器。

UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器, 在有线电视系统中, 无论哪种设备中的开关电源, 其工作原理都是类似的, 电路形式也大同小异, 只要掌握开关电源的基本工作原理, 并根据具体的故障现象灵活应用各种检修方法, 就能够在平时的维修实践中做到有的放矢, 事半功倍地解决疑难问题。

摘要：剖析电流控制型脉宽调制器UC3842的原理及特性;分析开关电源的工作原理;并利用电流型PWM控制器UC3842设计开关电源;指出在有线电视系统中开关电源的应用。

关键词：UC3842单端式,PWM型,开关电源,脉宽调制

参考文献

[1] 夏萍.变压器耦合型开关稳压电源的原理与检修[J].中国有线电视, 2010 (7) :884～887.

[2] 何佳, 张煜盛.电流型P W M控制器UC3842及其在微机电源中的应用[J].电子设计信息网络.