UC3832/3改善線性穩(wěn)壓電源的性能

摘    要：本文分析了常用過電流/短路保護(hù)的基本類型與存在的問題，提出一種線性穩(wěn)壓電源過電流保護(hù)的新技術(shù)——組合型過電流/短路保護(hù)。利用UC3832/3實現(xiàn)了組合型過電流/短路保護(hù)，同時也實現(xiàn)了大電流低輸入/輸出壓差，并給出了實用電路中關(guān)鍵元件的參數(shù)。
關(guān)鍵詞：組合型過電流保護(hù)；全載啟動；鎖定；損耗

過電流保護(hù)方式的
基本類型與存在的問題
常用的過電流保護(hù)方式主要有限流型、減流型和截止型三種。
限流型的特點是：當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到限流值時，穩(wěn)壓電源進(jìn)入恒流狀態(tài)將負(fù)載電流限制在限流值。這種電路的優(yōu)點是相對容易實現(xiàn)并且可以實現(xiàn)全載啟動。其最大缺點是在過電流保護(hù)狀態(tài)下，電源調(diào)整管將承受限流值電流與輸入電源電壓所產(chǎn)生的過分損耗。為確保電源調(diào)整管在過電流時不被損壞，需以過電流保護(hù)狀態(tài)下的功耗為選擇電源調(diào)整管和熱設(shè)計的依據(jù)，這將會使穩(wěn)壓電源的成本、體積和重量增加，可靠性降低。
截止型的特點是：當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到限流值時，過電流保護(hù)電路使穩(wěn)壓電源進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，并不再恢復(fù)，使穩(wěn)壓電源與負(fù)載得到有效的保護(hù)。其優(yōu)點是此時電源調(diào)整管的功耗為零。其最大缺點是：沖擊性負(fù)載容易使穩(wěn)壓電源產(chǎn)生誤動作進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)，而一旦進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)，即使過電流狀態(tài)解除，也不能自動復(fù)位。
減流型的特點是：穩(wěn)壓電源進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)后，輸出電流隨輸出電壓而減小，可使電源調(diào)整管的損耗即使在過流保護(hù)時也不至于過大，其典型應(yīng)用如三端集成穩(wěn)壓器。這種過電流保護(hù)方式盡管在諸多場合下很適用，但在全載恒流特性和大多數(shù)模擬和數(shù)字電路的電源特性下可能會產(chǎn)生latch up效應(yīng)，即輸出電壓被鎖定在低于正常穩(wěn)壓值的低電壓上不能正常啟動。為確保沖擊性負(fù)載或全載恒流啟動，必須在過流保護(hù)點和正常最大工作電流之間設(shè)置較大的裕量，容易使過電流的負(fù)載因沒有得到電源的保護(hù)而燒壞。

組合型過電流保護(hù)方式
線性穩(wěn)壓電源的最佳保護(hù)方式應(yīng)該既具有像限流型保護(hù)那樣的啟動和自動復(fù)位特性，又具有像截止型過電流保護(hù)那樣在過流保護(hù)后電源調(diào)整管的低功率損耗，為此，提出組合型過電流保護(hù)方式。
線性穩(wěn)壓電源對組合型過電流保護(hù)的基本要求是：在電源上電時，以限流保護(hù)方式啟動，以確保在沖擊性負(fù)載時能順利啟動；穩(wěn)壓電源正常工作后，如出現(xiàn)過電流，則保護(hù)電路首先進(jìn)入限流保護(hù)狀態(tài)，以消除瞬時沖擊電流的影響；若在限定時間內(nèi)仍處于過電流狀態(tài)，則保護(hù)電路認(rèn)定為故障過流，并進(jìn)入截止型保護(hù)狀態(tài)；一定時間后(如限流保護(hù)限時的20~30倍的時間)重新恢復(fù)限流保護(hù)狀態(tài)，如此時負(fù)載恢復(fù)正常，則穩(wěn)壓電源應(yīng)能正常啟動，如過電流故障依舊，保護(hù)電路則再一次進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，如圖1所示。在這種過電流保護(hù)狀態(tài)下，電源調(diào)整管的損耗為限流型的1/20~1/30。過流保護(hù)電路會定時檢測負(fù)載過電流是否解除，一旦檢測到負(fù)載電流小于限流保護(hù)值，即恢復(fù)正常的輸出電壓。

組合型過電流保護(hù)的實現(xiàn)
實現(xiàn)線性穩(wěn)壓電源組合型過電流保護(hù)的最簡單方法就是利用專用集成電路UC3832/3。
UC3832/3電路原理
除具備線性穩(wěn)壓電路控制IC內(nèi)部電源的基準(zhǔn)、誤差放大器和驅(qū)動級所必須的功能單元外，最主要的是UC3832/3具有開關(guān)型過電流保護(hù)功能，其原理框圖及輔助電路如圖2和圖3所示，在此僅介紹過電流保護(hù)原理。
限流放大器(CSAMP)設(shè)置為130mV偏置電壓，當(dāng)輸入端電壓在130mV以下時，限流放大器不工作，穩(wěn)壓電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載過電流或短路時，通過限流放大器的驅(qū)動器、外接電源調(diào)整管及電流檢測電阻Rs的閉環(huán)控制，使限流放大器的輸入端+Vin與C/S(-)之間的電壓限制在130mV，即限流電源調(diào)整管輸入電流(近似為輸出電流)是：

限流比較器(CSCOMP)設(shè)置為100mV偏置電壓，與限流放大器共用輸入端。由于限流比較器的偏置電壓低30mV，確保了限流比較器先于限流放大器動作，以確保開關(guān)型過電流保護(hù)功能的實現(xiàn)。一旦限流比較器輸入端的電壓差大于100mV，即出現(xiàn)過電流時，限流比較器輸出由高電位變?yōu)榈碗娢弧６〞r器開始工作，穩(wěn)壓電源進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)過電流解除后，限流比較器輸入端的電壓差小于100mV，限流比較器輸出高電位將定時器封鎖。這時穩(wěn)壓電源工作在正常穩(wěn)壓狀態(tài)。
當(dāng)受限流比較器控制的定時器工作后，其內(nèi)部恒流源向TRC端電容器充電。在定時電容CT的充電電壓低于1.8V時，定時器輸出低電位，穩(wěn)壓電源工作在限流狀態(tài)；當(dāng)CT的充電電壓達(dá)到1.8V時，定時器內(nèi)部的恒流源關(guān)斷，CT通過與其并聯(lián)的電阻RT放電，定時器輸出高電位驅(qū)動T1導(dǎo)通，使電路的輸出級截止，將電源調(diào)整管關(guān)斷，穩(wěn)壓電源工作在截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)放電電壓達(dá)到0.9V時，定時器內(nèi)部恒流源重新對CT充電并輸出低電位使T1關(guān)斷，穩(wěn)壓電源重新工作在限流工作狀態(tài)。如負(fù)載持續(xù)過電流或短路，穩(wěn)壓電源的這種限流狀態(tài)將周而復(fù)始地循環(huán)，當(dāng)負(fù)載過電流解除后，穩(wěn)壓電源將從限流狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。UC3832 與UC3833不同的是UC3832的限流放大器的偏置電壓可外置從130~300mV，啟動能力強(qiáng)。UC3833適于驅(qū)動PNP晶體管、P溝道FET，UC3832適于驅(qū)動NPN晶體管、N溝道FET。
大電流低輸入/輸出壓差的實現(xiàn)
盡可能減小電源調(diào)整管的最小輸入/輸出壓差對提高電源效率和盡可能降低最小輸入電壓有著重要意義，低壓差(通常定義為：Vinmin-Vout≤1V)意味著穩(wěn)壓電源性能的提高。在UC3832/3中，其最小輸入/輸出壓差為電源調(diào)整管的飽和壓降Vsat，或是導(dǎo)通電阻Rds(on)與流過的電流Io的乘積。雙極型晶體管可以低于1V(但高于0.5V)，而功率FET則很容易實現(xiàn)0.3V以下的極低輸入/輸出壓差，如30~40V輸入電壓、10A的輸出電流可選用IRF3205(55V、0.08W) 。
UC3832/3的實際應(yīng)用
下面將給出圖2和圖3中主要元件(電源調(diào)整管、輸出電容器、定時電容器、定時電阻)的參數(shù)選擇。
電源調(diào)整管額定參數(shù)
電源調(diào)整管的額定電壓為最高輸入電壓，額定電流不應(yīng)高于集電極/漏極的額定電流或使用電流，集電極/漏極耗散功率應(yīng)大于最高輸入電壓與輸出限流值Iolim的乘積。
輸出電容器的選擇
輸出電容器的電容量過小可能會導(dǎo)致輸出紋波過大，而電容量過大則會出現(xiàn)最重恒流負(fù)載時不能啟動，因此輸出電容器Cmax最大容量為：

定時電容器的選擇
定時電容器Ct決定啟動和限流工作狀態(tài)的時間，Ct與導(dǎo)通時間Ton的關(guān)系為：

其中Ton和Ct單位分別為s和F。
導(dǎo)通時間Ton由輸出電壓和沖擊性負(fù)載的持續(xù)時間決定，由輸出電壓決定的導(dǎo)通時間為：

定時電阻的選擇
定時電阻決定過流/短路保護(hù)中的截止型保護(hù)的持續(xù)時間。

電源調(diào)整管在短路狀態(tài)下的損耗為：

結(jié)語
采用UC3832/3很容易實現(xiàn)線性穩(wěn)壓電源的組合型過電流保護(hù)，在性能上優(yōu)于現(xiàn)有的任何一種過電流電路，能夠?qū)崿F(xiàn)大電流的極低輸入/輸出壓差穩(wěn)壓?！?/p>