UC3832/3改善线性稳压电源的性能

摘    要：本文分析了常用过电流/短路保护的基本类型与存在的问题，提出一种线性稳压电源过电流保护的新技术——组合型过电流/短路保护。利用UC3832/3实现了组合型过电流/短路保护，同时也实现了大电流低输入/输出压差，并给出了实用电路中关键元件的参数。
关键词：组合型过电流保护；全载启动；锁定；损耗

过电流保护方式的
基本类型与存在的问题
常用的过电流保护方式主要有限流型、减流型和截止型三种。
限流型的特点是：当负载电流达到限流值时，稳压电源进入恒流状态将负载电流限制在限流值。这种电路的优点是相对容易实现并且可以实现全载启动。其最大缺点是在过电流保护状态下，电源调整管将承受限流值电流与输入电源电压所产生的过分损耗。为确保电源调整管在过电流时不被损坏，需以过电流保护状态下的功耗为选择电源调整管和热设计的依据，这将会使稳压电源的成本、体积和重量增加，可靠性降低。
截止型的特点是：当负载电流达到限流值时，过电流保护电路使稳压电源进入截止状态，并不再恢复，使稳压电源与负载得到有效的保护。其优点是此时电源调整管的功耗为零。其最大缺点是：冲击性负载容易使稳压电源产生误动作进入过电流保护状态，而一旦进入过电流保护状态，即使过电流状态解除，也不能自动复位。
减流型的特点是：稳压电源进入过电流保护状态后，输出电流随输出电压而减小，可使电源调整管的损耗即使在过流保护时也不至于过大，其典型应用如三端集成稳压器。这种过电流保护方式尽管在诸多场合下很适用，但在全载恒流特性和大多数模拟和数字电路的电源特性下可能会产生latch up效应，即输出电压被锁定在低于正常稳压值的低电压上不能正常启动。为确保冲击性负载或全载恒流启动，必须在过流保护点和正常最大工作电流之间设置较大的裕量，容易使过电流的负载因没有得到电源的保护而烧坏。

组合型过电流保护方式
线性稳压电源的最佳保护方式应该既具有像限流型保护那样的启动和自动复位特性，又具有像截止型过电流保护那样在过流保护后电源调整管的低功率损耗，为此，提出组合型过电流保护方式。
线性稳压电源对组合型过电流保护的基本要求是：在电源上电时，以限流保护方式启动，以确保在冲击性负载时能顺利启动；稳压电源正常工作后，如出现过电流，则保护电路首先进入限流保护状态，以消除瞬时冲击电流的影响；若在限定时间内仍处于过电流状态，则保护电路认定为故障过流，并进入截止型保护状态；一定时间后(如限流保护限时的20~30倍的时间)重新恢复限流保护状态，如此时负载恢复正常，则稳压电源应能正常启动，如过电流故障依旧，保护电路则再一次进入截止状态，如图1所示。在这种过电流保护状态下，电源调整管的损耗为限流型的1/20~1/30。过流保护电路会定时检测负载过电流是否解除，一旦检测到负载电流小于限流保护值，即恢复正常的输出电压。

组合型过电流保护的实现
实现线性稳压电源组合型过电流保护的最简单方法就是利用专用集成电路UC3832/3。
UC3832/3电路原理
除具备线性稳压电路控制IC内部电源的基准、误差放大器和驱动级所必须的功能单元外，最主要的是UC3832/3具有开关型过电流保护功能，其原理框图及辅助电路如图2和图3所示，在此仅介绍过电流保护原理。
限流放大器(CSAMP)设置为130mV偏置电压，当输入端电压在130mV以下时，限流放大器不工作，稳压电源工作在稳压状态。当负载过电流或短路时，通过限流放大器的驱动器、外接电源调整管及电流检测电阻Rs的闭环控制，使限流放大器的输入端+Vin与C/S(-)之间的电压限制在130mV，即限流电源调整管输入电流(近似为输出电流)是：

限流比较器(CSCOMP)设置为100mV偏置电压，与限流放大器共用输入端。由于限流比较器的偏置电压低30mV，确保了限流比较器先于限流放大器动作，以确保开关型过电流保护功能的实现。一旦限流比较器输入端的电压差大于100mV，即出现过电流时，限流比较器输出由高电位变为低电位。定时器开始工作，稳压电源进入过电流保护状态。当过电流解除后，限流比较器输入端的电压差小于100mV，限流比较器输出高电位将定时器封锁。这时稳压电源工作在正常稳压状态。
当受限流比较器控制的定时器工作后，其内部恒流源向TRC端电容器充电。在定时电容CT的充电电压低于1.8V时，定时器输出低电位，稳压电源工作在限流状态；当CT的充电电压达到1.8V时，定时器内部的恒流源关断，CT通过与其并联的电阻RT放电，定时器输出高电位驱动T1导通，使电路的输出级截止，将电源调整管关断，稳压电源工作在截止状态；当放电电压达到0.9V时，定时器内部恒流源重新对CT充电并输出低电位使T1关断，稳压电源重新工作在限流工作状态。如负载持续过电流或短路，稳压电源的这种限流状态将周而复始地循环，当负载过电流解除后，稳压电源将从限流状态恢复到正常状态。UC3832 与UC3833不同的是UC3832的限流放大器的偏置电压可外置从130~300mV，启动能力强。UC3833适于驱动PNP晶体管、P沟道FET，UC3832适于驱动NPN晶体管、N沟道FET。
大电流低输入/输出压差的实现
尽可能减小电源调整管的最小输入/输出压差对提高电源效率和尽可能降低最小输入电压有着重要意义，低压差(通常定义为：Vinmin-Vout≤1V)意味着稳压电源性能的提高。在UC3832/3中，其最小输入/输出压差为电源调整管的饱和压降Vsat，或是导通电阻Rds(on)与流过的电流Io的乘积。双极型晶体管可以低于1V(但高于0.5V)，而功率FET则很容易实现0.3V以下的极低输入/输出压差，如30~40V输入电压、10A的输出电流可选用IRF3205(55V、0.08W) 。
UC3832/3的实际应用
下面将给出图2和图3中主要元件(电源调整管、输出电容器、定时电容器、定时电阻)的参数选择。
电源调整管额定参数
电源调整管的额定电压为最高输入电压，额定电流不应高于集电极/漏极的额定电流或使用电流，集电极/漏极耗散功率应大于最高输入电压与输出限流值Iolim的乘积。
输出电容器的选择
输出电容器的电容量过小可能会导致输出纹波过大，而电容量过大则会出现最重恒流负载时不能启动，因此输出电容器Cmax最大容量为：

定时电容器的选择
定时电容器Ct决定启动和限流工作状态的时间，Ct与导通时间Ton的关系为：

其中Ton和Ct单位分别为s和F。
导通时间Ton由输出电压和冲击性负载的持续时间决定，由输出电压决定的导通时间为：

定时电阻的选择
定时电阻决定过流/短路保护中的截止型保护的持续时间。

电源调整管在短路状态下的损耗为：

结语
采用UC3832/3很容易实现线性稳压电源的组合型过电流保护，在性能上优于现有的任何一种过电流电路，能够实现大电流的极低输入/输出压差稳压。■