UC3842控制器组成的开关电源的单片机调压控制

0 引言

UC3842芯片是一款高性能固定频率的电流模式控制器。常见的生产厂家有：安森美半导体（on semicondutor）、飞兆（fairchildsemi）公司、德州仪器（TI）、摩托罗拉（Motorola）等公司，按照不同的生产厂家其型号的前缀有所不同，而其性能基本相同、彼此可以相互代换。该芯片专为离线或DC/DC变换器应用而设计，提供一个只需最少外部元件而获得成本效益高的解决方案。广泛应用于显示器、充电器等的开关电源电路中。在以往产品中的应用，该芯片一直充当输出固定电压的角色。随着应用需求的进一步发展，许多场合提出的输出电压可调的要求，文章讨论了成熟产品UC3842利用单片机进行调压控制的电路。

1  UC3842芯片特色

UC3842集成电路有三种封装形式，分别是PDIP-8、SOIC-14、SOIC-8。其内部包含有电源欠压锁存、5V基准源、基准电压欠压锁存、振荡器、PWM锁存、误差放大器等，结构框图如图1所示。该芯片能够微调振荡器而获得精确的占空比控制、一个温度补偿的基准电压、高增益误差放大器、电流取样比较器、和适用于驱动功率MOSFET的大电流图腾柱输出。还有保护特性：具有磁滞特性的电源电压和基准电压的欠压锁定、逐周电流限制、可编程输出死区时间、单脉冲计量锁定。其主要特点有：①微调振荡器的精确频率控制；②振荡频率保证达到250kHz；③电流模式工作至500 kHz；④自动前馈补偿；⑤逐周电流限制的PWM锁定；⑥具有欠压锁定的内部基准电压；⑦大电流图腾柱输出；⑧迟滞特性的电压锁定；⑨低启动和工作电流。

图1  UC3842简化框图

2 稳压控制原理

    UC3842的典型应用是把反馈绕组的电压经电阻分压后接至该芯片的电压反馈输入端②（或③）脚，如图2所示。其稳压过程如下：当输出电压升高时，反馈绕组的电压也随之升高，电阻分压得到的电压也升高，即②脚电压升高，当②脚的电压高于2.5V时，误差放大器发生翻转，使锁存器复位，关断输出晶体管，减小PMW占空比，使输出电压回落；若输出电压降低，则锁存器复位时间变长，PWM脉冲占空比增大，输出电压上升；从而达到稳压控制。为了提高输出电压的稳定性，通常输入②脚的反馈电压不是取自反馈绕组，而是直接取自输出电压，并与精密基准电压源作比较，中间采用光电耦合器作隔离，传统电路如图3所示。

图2 UC3842典型应用电路

图3 UC3842传统应用电路

    在图3电路中通过改变电位器VR1的值，可以适当调节输出电压值的大小。减小电位器VR1的值，即图中Vt电位降低通过光电耦合器使输出电压Uo上升；增加电位器VR1的值，即图中Vt电位升高通过光电耦合器使输出电压Uo下降。

3 单片机调压控制

采用单片机来对UC3842组成的开关电源进行调压控制有两种方法：数字电位器控制和PWM控制。

⑴数字电位器控制

数字电位器是采用CMOS工艺制成的数字-模拟混合信号处理集成电路，是一种可编程电位器。其性能可等效为由若干个单位电阻串联、并由模拟开关步进切换的变阻器，是一个三端可编程电阻。与机械式电位器相比，具有可程控改变阻值、无触点、耐震动、噪声小、寿命长、抗环境污染等重要优点。由于数字电位器取消了活动臂，故无机械磨损、调节精度高、没有噪声，有极长的工作寿命。

本课题采用美国Xicor公司的产品X9C102，其电路符号和外形如图4所示。该产品有DIP和SOIC两种封装，是一个8个引脚器件。其中第③脚、第⑤脚、第⑥脚分别是三端可编程电阻的高位端、活动端、低位端的三个引脚；第①脚、第②脚、⑦脚是控制端，分别是调节端、增/减端、片选端。芯片的步进量为10.1Ω，总步数为100。通过对控制端的操作，可以调节电位器的活动端阻值，并保存状态。其工作模式如表1所示，时序如图5所示。

图4 X9C102符号及外形

表1 模式选择

图5 工作时序

采用数字电位器X9C102来调节由电流模式PWM控制器UC3842等元器件组成的开关电源输出电压的电路原理如图6所示。图中将数字电位器的三个控制端分别接至单片机的P1.5、P1.6、P1.7引脚，并按照表1和图5通过对单片机这三个引脚输出不同的时序来进行升压、降压操作。升压/降压控制的51单片机汇编程序如下：

;引脚定义

X9C102_INC  bit  P1.5

X9C102_UD  bit  P1.6

X9C102_CS   bit  P1.7

;－－－－升压操作/即减小活动端阻值子程序－－－－

V_down:

Setb  X9C102_INC

clr  X9C102_UD

clr  X9C102_CS

nop

nop

clr  X9C102_INC

nop

nop

nop

nop

setb  X9C102_INC

nop

setb  X9C102_CS

nop

ret

;－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

;－－－－降压操作/即增大活动端阻值子程序－－－－

V_up:

Setb  X9C102_INC

setb  X9C102_UD

clr  X9C102_CS

nop

nop

clr  X9C102_INC

nop

nop

nop

nop

setb  X9C102_INC

nop

setb  X9C102_CS

nop

ret

; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

图6 数字电位器调压控制

⑵PWM控制

利用PWM进行D/A转换来调节由电流模式PWM控制器UC3842等元器件组成的开关电源输出电压是单片机调压控制的另一种方法。目前好多单片机都具有PWM输出功能，对于没有此功能的单片机也可利用程序使其某个引脚输出PWM脉冲，将不同占空比的PWM脉冲进行滤波后便可得到一个0-5V变化的模拟量，用该模拟量去进行调压控制。采用单片机输出不同占空比的PWM脉冲进行调压控制的原理图如图7所示。

图7 PWM调压控制

图中把单片机P1.x引脚输出的PWM脉冲进行二级滤波，然后去控制三极管获得不同的Vr电压值，从而调节开关电源的输出电压Uo。当PWM脉冲的占空比增大时，滤波后的电压升高，三极管的导通程度增强，开关电源输出电压升高；当PWM脉冲的占空比减小时，滤波后的电压降低，三极管的导通程度减弱，开关电源输出电压降低。

由于单片机输出PWM脉冲的例程较多，且受篇幅限制，本文不再列举程序。

4 实验结果

对两种调压控制方法进行了实验，用两个按键通过单片机进行升压或降压操作。图8是两种方法的实验电路。对于图8(a)所示数字电位器调压，每按一次按键数字电位器步增或步减1，即活动端阻值增加或减小10.1Ω，相应地开关电源的输出电源变化约0.35V。对于图8(b)所示PWM调压，每按一次按键PWM脉冲的宽带增加或减小0.1μs，相应地开关电源的输出电源变化约0.35V。需要说明的是PWM调压电路PWM脉冲宽度的增减引起开关电源电源的升降量与滤波器元件的取值和三极管的选型相关性较大。图示实验电路的调压范围为45V～60V（空载），中间某段步进升压的电压变化如表1所示。

表1 步进升压部分数据

（a）数字电位器调压

(b) PWM调压

图8

5 结束语