UC3832/3改善線性穩壓電源的性能

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

過電流保護方式的
基本類型與存在的問題
常用的過電流保護方式主要有限流型、減流型和截止型三種。
限流型的特點是：當負載電流達到限流值時，穩壓電源進入恒流狀態將負載電流限制在限流值。這種電路的優點是相對容易實現并且可以實現全載啟動。其最大缺點是在過電流保護狀態下，電源調整管將承受限流值電流與輸入電源電壓所產生的過分損耗。為確保電源調整管在過電流時不被損壞，需以過電流保護狀態下的功耗為選擇電源調整管和熱設計的依據，這將會使穩壓電源的成本、體積和重量增加，可靠性降低。
截止型的特點是：當負載電流達到限流值時，過電流保護電路使穩壓電源進入截止狀態，并不再恢復，使穩壓電源與負載得到有效的保護。其優點是此時電源調整管的功耗為零。其最大缺點是：沖擊性負載容易使穩壓電源產生誤動作進入過電流保護狀態，而一旦進入過電流保護狀態，即使過電流狀態解除，也不能自動復位。
減流型的特點是：穩壓電源進入過電流保護狀態后，輸出電流隨輸出電壓而減小，可使電源調整管的損耗即使在過流保護時也不至于過大，其典型應用如三端集成穩壓器。這種過電流保護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模擬和數字電路的電源特性下可能會產生latch up效應，即輸出電壓被鎖定在低于正常穩壓值的低電壓上不能正常啟動。為確保沖擊性負載或全載恒流啟動，必須在過流保護點和正常最大工作電流之間設置較大的裕量，容易使過電流的負載因沒有得到電源的保護而燒壞。

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

組合型過電流保護的實現
實現線性穩壓電源組合型過電流保護的最簡單方法就是利用專用集成電路UC3832/3。
UC3832/3電路原理
除具備線性穩壓電路控制IC內部電源的基準、誤差放大器和驅動級所必須的功能單元外，最主要的是UC3832/3具有開關型過電流保護功能，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原理。
限流放大器(CSAMP)設置為130mV偏置電壓，當輸入端電壓在130mV以下時，限流放大器不工作，穩壓電源工作在穩壓狀態。當負載過電流或短路時，通過限流放大器的驅動器、外接電源調整管及電流檢測電阻Rs的閉環控制，使限流放大器的輸入端+Vin與C/S(-)之間的電壓限制在130mV，即限流電源調整管輸入電流(近似為輸出電流)是：

限流比較器(CSCOMP)設置為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，以確保開關型過電流保護功能的實現。一旦限流比較器輸入端的電壓差大于100mV，即出現過電流時，限流比較器輸出由高電位變為低電位。定時器開始工作，穩壓電源進入過電流保護狀態。當過電流解除后，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。這時穩壓電源工作在正常穩壓狀態。
當受限流比較器控制的定時器工作后，其內部恒流源向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，穩壓電源工作在限流狀態；當CT的充電電壓達到1.8V時，定時器內部的恒流源關斷，CT通過與其并聯的電阻RT放電，定時器輸出高電位驅動T1導通，使電路的輸出級截止，將電源調整管關斷，穩壓電源工作在截止狀態；當放電電壓達到0.9V時，定時器內部恒流源重新對CT充電并輸出低電位使T1關斷，穩壓電源重新工作在限流工作狀態。如負載持續過電流或短路，穩壓電源的這種限流狀態將周而復始地循環，當負載過電流解除后，穩壓電源將從限流狀態恢復到正常狀態。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。UC3833適于驅動PNP晶體管、P溝道FET，UC3832適于驅動NPN晶體管、N溝道FET。
大電流低輸入/輸出壓差的實現
盡可能減小電源調整管的最小輸入/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/輸出壓差為電源調整管的飽和壓降Vsat，或是導通電阻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的實際應用
下面將給出圖2和圖3中主要元件(電源調整管、輸出電容器、定時電容器、定時電阻)的參數選擇。
電源調整管額定參數
電源調整管的額定電壓為最高輸入電壓，額定電流不應高于集電極/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致輸出紋波過大，而電容量過大則會出現最重恒流負載時不能啟動，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的時間，Ct與導通時間Ton的關系為：

其中Ton和Ct單位分別為s和F。
導通時間Ton由輸出電壓和沖擊性負載的持續時間決定，由輸出電壓決定的導通時間為：

定時電阻的選擇
定時電阻決定過流/短路保護中的截止型保護的持續時間。

電源調整管在短路狀態下的損耗為：

結語
采用UC3832/3很容易實現線性穩壓電源的組合型過電流保護，在性能上優于現有的任何一種過電流電路，能夠實現大電流的極低輸入/輸出壓差穩壓。■