UC384X的PWM产生机理及其控制

PWM Control Based on 384X’s Principle
Shen Yu1, Yu Cheng-Bo2
1) Research Institute of Remote Test and Control, Chongqing University of Technology，Chongqing，China
(aliasxx@)
2)Research Institute of Remote Test and Control, Chongqing University of Technology，Chongqing，China
(yuchengbo@)
Abstract—The ERROR AMP and The PWM Comparator inside 384X are used to control PWM output, Datasheets recommend by companies indicate that the voltage control signer is linked with the pin FB, which is the input of ERROR AMP and control the PWM output through the PWM comparator; The circuit extracted in this article linked the voltage control signer with the pin COMP, which is the output and feedback pin of ERROR AMP. The practical experiment proved that the control circuit is convenience and effective either in open loop or in closed loop circuits．.
Keywords—UC384X, PWM, control, open loop, closed loop
UC384X的PWM产生机理及其控制
沈钰，余成波
重庆理工大学电子信息与自动化学院重庆，中国
摘要UC384X通过内部的误差放大器和比较器来控制输出的PWM脉宽，各公司推荐的资料都将电压控制信号加到该芯片内部误差放大器的输入引脚FB，再通过误差放大器的输出去控制PWM比较器；在实验的基础上，本文将控制PWM的电压信号加到内部误差放大器的补偿反馈引脚COMP，实践表明，无论在开环和闭环的应用中，这种接法都能使UC384X系列芯片的控制变得更加有效和更加方便。

关键词 UC384X，PWM，控制，开环，闭环
1．引言
UC384X包括一系列的脉宽调制（PWM）芯片，该系列芯片最初由Unitrode公司推出，现已由许多不同公司生产，并已广泛应用在PWM发生及开关电源领域。

各公司给出的UC384X芯片的典型应用电路都将控制PWM的电压加到该芯片内部误差放大器的输入端，然后用误差放大器的输出通过内部PWM比较器等电路去控制PWM波的脉宽[1]~[4]，这种方法充分利用了UC384X芯片的内部资源，但在一定程度上却使电路的调节变得困难；一些研究从实际出发，对UC384X芯片的闭环应用进行了改进[5]~[8]，但未能对其内部应用电路和内部时序进行详细分析，并且未见对UC384X芯片的开环控制电路进行实践改进的文章。

本研究通过对UC384X芯片内部时序的分析，分别从开环控制电路和闭环控制电路两方面对UC384X芯片进行了研究。

2．UC384X的PWM产生机理
各公司生产的UC384X系列芯片大同小异，这里汇集了几个不同公司的资料[1]~[4]，给出了UC384X芯片的基本结构如图1（a）所示，通过分析，我们得出了UC384X 系列芯片的工作原理波形如图1（b）。

从图1（a）可知UC384X共有8个引脚：其中引脚5接地，引脚7接电源正极（工作电压12V~18V），外部电源接好后，该芯片即通过内部电路产生出一个偏置电压和一个+5V的参考电压；其中+5V的参考电压又被分成三路，一路提供给内部逻辑电路，使其输出正确的逻辑信号；另一路转变为2.5V后加到误差放大器的正输入端；还有一路可通过芯片的第8脚向外输出毫安级的+5V电源。

图1（a）中引脚4外接R T、C T器件后即可产生锯齿波，其波形见图1（b）①，R T、C T的值决定了锯齿波的周期T，而由于电路中电容的恒流放电特性则决定了放电时间T1基本固定。

从内部振荡电路出来的信号②是一个周期性的脉
8-1-4244-9945-8/10/$26.00 ©2010 IEEE PACIIA2010
冲波形，它的周期等于波形①的周期T ，而相应的脉冲宽度则等于波形①的固定放电时间T 1。

信号②送到内部的一个或门和RS 触发器的S 端，而该RS 触发器的R 端则由内部比较器的输出信号③提供。

内部比较器的输出信号③是一个重要信号，它是一个固定的电压信号和锯齿波①进行比较的结果，如果该固定电压信号值如图1（b ）①中的虚线所示，则内部比较器的输出信号③就如图1（b ）③所绘。

这样，由分别加到内部触发器RS 端的信号③和②的作用，内部RS 触发器的反相输出波形则示于图1（b ）中的④。

图1中内部或门的输入波形是图1（b ）中的②和④，根据②和④的波形，可以得到控制输出场效应管的脉宽波形⑤。

脉宽波形⑤的周期T 就等于锯齿波的周期，而脉宽波形中T C 的宽度则由与锯齿波比较的固定电压信号的大小决定，此电压在图1（b ）①中用虚线表示。

当图1（b ）①中的虚线往上偏移时，比较器的输出电压（图1（b ）③）中的T 2宽度会逐渐变窄，直至T 2宽度等于0，这将导致内部RS 触发器反相输出的波形④的高电平部分的宽度也变窄，直至到0，反之当图1（b ）①中的虚线往下偏移时，图1（b ）波形③中的T 2和波形④的高电
平部分的宽度都会增加，直至全部为高电平。

图1（b ）脉宽波形⑤由波形②和④相或而成，波形⑤在图1（b ）①中的虚线从下往上偏移时，其T C 的宽度将从等于T 逐渐减小，直至T C 宽度等于T 1。

因UC384X 芯片的输出电平和内部波形⑤反相，这样在不同的比较电压下，输出脉宽就会从0逐渐增加到接近100%。

由上可知UC384X 的内部比较器和RS 触发器是控制PWM 的关键，而内部比较器又受到芯片的1、2、3脚的共同控制，因此UC384X 芯片的1、2、3脚的接法是控制脉宽的关键。

3．UC384X 的开环PWM 控制电路
许多公司在UC384X 芯片的资料中都给出了一个典型的PWM 开环控制电路[2]~[4]，详见图2（a ），结合内部电路，我们在图2（b ）中绘出了该电路的锯齿波产生以及与1、2、3脚控制相关的部分电路。

图2（b ）标明了UC384X 内部的误差放大器是一个单5V 供电的运算放大器，因此，该放大器的输出电压范围被限制在0~5V ，此输出电压经过两个二极管和两个电阻分压后，在内部比较器反相输入端出现的电压就不会超过1V ，图2（b ）标出了这一情况。

实际上，一些公司在给出UC384X 的内部电路时，往往在此加画一只1V 的稳压二极管予以注明。

图2（a ）中UC384X 第4脚出现的信号正是图1（b ）中的锯齿波信号①，该信号通过射极跟随器(三极管T 1) 和
图1 UC384X 结构及工作波形示意图
(a) UC384X 内部结构示意图(b) UC384X 工作波形示意图
(a) 各公司资料推荐的开环测试电路
(b) 对推荐的开环测试电路的分析
图2 公司推荐的UC384X 的开环测试电路
分压电位器R W2，将极性相同但幅度减小了的锯齿波送到了第3脚CS ，即在图2（b ）内部比较器的同相端送入了一个锯齿波形，因内部比较器的反相输入端的输入电压被限制在0~1V ，因此这里输入的锯齿波幅度不能超过1V ，如此信号超过1V 则电路会被保护。

下面我们看UC384X 内部误差放大器的工作情况，为利于分析，图2（b ）将图2（a ）中的R W1分成了两个部分，并将其分别加到了R 1和R 2当中，同时图2（b ）还标出了与运放有关的两个电流量i 1和i F 。

当误差放大器工作在理想放大状态时：
（i 1+i F ）×R 2=2.5V
（i 1+i F ）×R 2+i 1×R 1=5V （i 1+i F ）×R 2+i F ×R 3=U COMP
这样就有：
V
5.211323COMP
×⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝
⎛−+=R R R R U 要使比较器的反相输入端能与锯齿波比较，U COMP 的取值要在0~5V 之间，令
⎟
⎟⎠⎞
⎜⎜⎝⎛−=1323R R R R f
则函数f 的取值就要限定在-1~1之间，经计算图2（a ）
中R W1的实际调节范围只允许在270欧以内，而2脚FB 输入到误差放大器的电压允许变化范围最多为130mV 。

实际制作中由于R 1和R 2的取值误差，对R W1进行正确的调节和控制往往有一定难度。

鉴于实践中对图2电路控制和调节的困难，我们按图3（a ）电路进行了UC384X 的开环PWM 电路实验，具体使用的芯片是UC3842和TI 公司的UCC38C43。

图3（a ）电路与图2电路的不同之处在于1、2引脚的接法。

图3接法将误差放大器的输入端FB 直接接地，而将R W1上的电压直接送到误差放大器的输出端。

将R W1滑动触头的两端分别划归为R 1和R 2后，对这部分电路的分析见图3（b ）。

此时UC384X 内部误差放大器工作在高输入压差的闭环状态，而引脚COMP 上的电压不仅取自外部R W1，同时也因误差放大器的影响而出现复杂的情况。

由于各公司误差放大器的内部电路均未公布，我们只能用实验来测量引脚COMP 的电压以及输出占空比的情况。

我们选择不同的R T 和C T 以试验不同的频率点f ，再改变图3（a ）中的R W1的滑动触头位置，然后测试输出占空比与U COMP 的关系，得到的结果见表1。

实验表明用图3（a ）进行开环PWM 控制更容易实现，实验效果良好，并且芯片能长期有效地工作。

表1 图3（a ）电路测试结果
f / Hz U COMP /V 输出占空比
备注
189.4k
1.0~1.6
0%~93% UCC38C4339k 1.5~2.20%~96% UCC38C43147k 1.5~1.90%~74% UC3842 110k 1.5~1.90%~81.5% UC3842 1.39k
1.5~1.9
0%~98% UC3842 932 1.5~1.9
0%~98.5% UC3842
4．UC384X 的闭环PWM 控制电路
将UC384X 用于闭环PWM 电路的典型实例是开关电
源，图4给出了在开关电源电路中应用的基本电路和改进电路。

为简洁，图4省略了UC384X 芯片的供电部分。

图4（a ）是用UC384X 作开关电源的典型电路，这是许多开关电源手册推荐的电路[9][10]，也是各公司推荐的基本电路[1]~[4]，许多研究也直接采用了这个电路[11]~[13]。

实际上，图4（a ）电路与图2电路相对应： UC384X 的CS 引脚对T 1输出的电流信号采样，而单独用了一个变压器绕组N 3来获取开关电源输出的电压信号。

电路内部的误差放大器因外接R 3与C 3而工作在电流型负反
馈状态，从N 3获得的电压信号经D 1和C 1变成直流，再经R 1和R 2分压后送到误差放大器的反向输入端FB ，经内部
(a) 一种开环PWM 实验电路
(b) 开环PWM 实验的部分电路图3 另一种UC384X 的开环测试电路
误差放大器放大和内部比较器等作用，该信号用来调节输出信号的占空比，最终使输出的电压稳定。

图4（a ）电路的特点是采样简单，但为了电气隔离就需要另外绕制一组线圈N 3来采样，这样反馈电压并不直接取自于负载绕组，导致稳压效果不好，实验中当负载有较大变化时，该电路不能输出稳定电压，因此该电路仅适用于负载不变的特定情况。

同时该电路的高频开关情况也容易引起电磁干扰，带来电路设计上的困难。

近年已有多个研究对图4（a ）电路进行了分析，从而得出了一些和图3（b ）基本对应的闭环电路[5]~[8]，我们将各研究电路归纳为图4（b ），这里UC384X 的2脚FB 直接接地，其内部反馈原理与图3（b ）基本对应。

图4（b ）的电压反馈回路用三端可调稳压管D 2加光耦VD 1直接对输出的负载电压采样：当输出电压升高时，经电阻R 2和R 3分压后输入到D 2参考端的电压也升高，此时流过光耦VD 1中发光二极管的电流增大，输入误差放大器的反馈电压降低，导致UC384X 输出的占空比变小，于是输出电压下降，达到稳压的目的。

该电路因采用光耦，实现了输出和输入，弱电和强电的隔离，具有较强的抗干扰能力。

并且该电路直接对输出电压采样，因此具有良好的稳压性能。

5．结论
采用UC38C4X 可以制成开环或闭环的PWM 发生器，本文在实践的基础上对各公司提出的典型应用电路进行了一定修正，实践表明，无论在开环和闭环的应用中，将PWM 的电压控制信号改接到内部误差放大器的补偿反馈引脚COMP ，能使UC384X 系列芯片的控制变得更加方便和稳定。

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(a) UC384X 典型应用电路
(b) 改进的UC384X 应用电路
图4 UC384X 用于开关电源的电路原理图。