电流型脉宽调制芯片及集成mosfet驱动器的应用初试

    本帖主要内容围绕基于uc3843的降压型开关稳压电源的设计制作展开,分为三部分:

1、电流模式pwm信号源搭建

2、真正可行的绕开电流环,进行单环控制的方法

3、集成高端mosfet栅极驱动器的应用


一、电流模式的简单理解即信号源电路的搭建

        uc3843/3842是一款经典的电流控制型脉宽调制芯片, 电流模式pwm相比电压模式pwm而言有着很多优点,问世后逐步取代了后者。二者的差别主要在于震荡器中的锯齿波来源,电压模式来源于内部锯齿波震荡器,以经典芯片tl494为例,其内部框图如下


                                                                                      

tl494内部框图.jpg

可以看到oscilator为内置,直接与pwm比较器相连,后二者决定芯片输出占空比的大小。

下图为uc3843内部框图

3842内部框图.jpg

 可以看到,uc3842内部pwm缓存还与电流检测比较器相连,电流检测比较器将为pwm调制提供锯齿波信号和电流检测信号,依靠这种方式,电流模式脉宽调制芯片除了有电压控制环外(外环),还有电流控制环(内环),在(原边)每个开关周期进行电流峰值限制,也叫逐周期峰值电流限制,而电压型pwm芯片对电流的反馈只能依靠输出取样电阻的压降值放大后与所以电流控制型芯片性能要优于电压控制型芯片。但电流控制型芯片会有次谐波振荡问题,需要进行斜率补偿。

       现在以buck电路为例,举几个电流模式pwm信号源的例子。首先,放上一个经典降压充电器电路(图片摘自电源网)

电源网buck.png

(这个图稍微有些错误,uc3842的gnd脚位应该接至电感左侧,使整个ic处于浮地状态。这样做有两大好处:

1、避免了电流取样的电位问题

timg.jpg

 如果需要在电路中取得锯齿波电流信号,通常是在开关管处取得,对于boost电路而言,其s极直接接地,如果在s极下方接上低阻值的电流取样电阻,电流取样信号将于整个电路共地,可以正常运作。而对于buck电路而言,由于其s极并未接地,如果直接在此处接入电流取样电阻,电流取样信号将不与pwm控制ic共地,这就造成了电位问题。这个电路的解决方法是直接把pwmic的gnd引脚接至二极管一端并从输出端接一快恢复二极管至pwmic的vcc引脚并在vcc和gnd间并联电解电容使供电电压稳定。这样一来电流取样电阻信号和mosfet与pwmic均实现了共地,高端开关管的驱动电平问题和电流取样信号的电位问题均得以解决。但此电路仍然存在一定缺陷:由于pwmic供电由输出端反馈而来,如果输出电压较低,甚至低于控制ic的启动阈值电压,整个电路将无法工作。而且输出电压的反馈是靠二极管和电容组成的自举回路反馈给控制ic,而二极管存在压降,电容两端的电压不能突变,使用此电路反馈将导致电压控制环路的误差,通常采用光耦隔离反馈。

       对此,另一种电路可以较好地解决这个问题,即使用电流互感器将高边功率管的锯齿波电流信号引入pwmic处,ic的gnd引脚与整个电路的地端相接,在此种情况下,mosfet的驱动需要运用自举技术(由于电流互感器本身的特性限制,这种方法引入的电流取样信号对mosfet占空比有一定限制)。这两种电路各有其优缺点,前者驱动和电流取样较为方便,后者电压控制较为精准,但电流取样和驱动较为麻烦。实际中需要根据应用情况灵活选择电路。

      2、暂时绕开电流环,进行单环调制的方法

     实际应用中,经常有一些比较奇怪的负载会使输出电流瞬态值较大,这种情况会导致pwm调制抽风(三号脚位引入的锯齿波电流反馈信号的峰值若超过0.1v,将使pwmic进入间歇性工作状态),如需正常工作,需要把电流控制放弃,使其处于开环状态,对此,一些工程师尝试把三号脚位直接接地,尴尬的发现输出占空比保持最大,原因在于如果不在三号脚位引入锯齿波信号,

3号脚位将固定为低电平,2脚控制的误差放大器的输出持续大于3脚的电压,占空比自然会保持最大。为了在能正常进行pwm调制的前提下绕开电流环,需要在三号脚位引入固定的锯齿波信号。

对此,ti数据手册上给了一种简单高效的方法。

ti官方应用电路.jpg

如图所示,即利用npn型bjt将定时电容端的震荡信号引入isnse端,图中的5k电位器用于调整锯齿波信号峰值,防止其幅值过大而使芯片进入过流保护状态。

对此我设计出了以下的buck电路

ad原理图.jpg

下方的三极管为自举电路,用于驱动高边mosfet

先用洞洞板搭了搭,实物如下

洞洞板实物.jpg

 一上电,mosfet发热明显,显然进入了线性工作区,用示波器观察后,发现驱动欠压明显,上图的自举电路没有发挥应有的作用,分析了下仿真和实际波形

发现是bjt拖尾效应使其开关性能孱弱。

模拟驱动波形.jpg

如图所示,可以看到较长的拖尾,这对mosfet工作非常不利,对此决定换用专用驱动ic

门极驱动IC分为两类:1、隔离型2、非隔离型

下面讲述非隔离型ic的应用要点。

典型应用电路如下图所示

mosfet driver.png

器件选用有以下需要注意的地方:

1、图中所示二极管需要用超快软恢复二极管例如uf4007

2、自举电容的取值不可过小,通常选用105独石电容。如果电路工作频率较低,例如单极性倍频spwm调制的50hz同步方波信号驱动的桥臂上对应的自举电容需要较大的容量,对应的也需要电流更大的二极管。

3、栅极电阻用于抑制振铃现象,一般去5到10欧姆为宜。过小无法抑制振铃,过大将导致上升沿过长而使msofet发热严重。

对于隔离型ic,典型应用电路如下(此处以高速光耦隔离驱动器为例)

hcpl3180应用电路.jpg

需要注意的是驱动一侧需要提供一个与主电源完全隔离的悬浮电源其两侧必须并联esr较小的电容,选用安规电容,mkp电容为宜,输入信号限流电阻的选取

需要查看芯片的datasheet,保证光电耦合器的led可以启动且不至于过流损坏

实际在洞洞板上搭了下,

光耦隔离驱动板.jpg

使用开环信号源驱动,实测波形如下

光耦隔离驱动波形.jpg

可以看到最高电平高于10v,mosfet处于开关状态(信号源有些小问题,波形稍微有些鬼畜,不过上升沿下降沿和电平都还算正常),驱动成功。

       成功驱动后,本以为能开心的降压了,结果输出电压明显欠压了,而mosfet没有发热现象,在示波器上观察,发现驱动输出处于打嗝状态,电路居然进入了过流保护。

接至三号脚位观察锯齿波波形,发现是洞洞板糟糕的电气环境的锅

异常尖峰信号.jpg

可以看到较为严重的尖峰现象,杜邦线引得太长,洞洞板背面渣焊功看来迟早是要还的。最后决定打pcb

非常感谢小翠版主耐心指导我使用ad15软件来画板

对于电源类pcb,有以下点需要特别注意:

驱动ic的输出端一定要尽量靠近mosfet的gs电极。

功率地和控制信号地一定不能连成一片,芯片的退耦电容一定要尽量接近其vcc及gnd引脚。

功率布线一定要足够粗,最好使用大面积敷铜而不是宽走线。

最后做出来实物如下

pcb实物.jpg

不得不说,对比洞洞板,看着真是精致细腻,焊接起来也省时省力。

实测pcb上三号脚位输出波形如下

pcb波形.jpg

对比洞洞板,有显著改善

空载实测,图为所使用的输入电源

空载输出.jpg

带水泥电阻实测

带载输出.jpg

效率粗测百分之八十左右,主要损耗来自于肖特基续流二极管的压降,打算之后加入同步整流技术,效率有望升至百分之九十以上。


[修改于 1 年前 - 2018-09-23 12:55:51]

来自 电力电子
 
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