由UC3841控制的300W離線式開關電源

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　由UC3841控制的300W離線式開關電源
楊富印
　
摘要：本文介紹了由UC3841控制的300W離線式開關電源的組成及特點，詳細分析了該電源的工作原理。最后，為了便于讀者自行設計，本文還給出了實用的設計公式。
關鍵詞：離線式開關電源；PWM控制；正激式電路；反激式電路；UC3841
　 
1. 電路組成及特點 
1.1 電路組成
    由UC3841控制的300W離線式電源電路。它主要由控制和驅(qū)動電路、輸出電路組成。
1.1.1 控制驅(qū)動電路
    控制驅(qū)動電路主要由UC3841構成。UC3841除了輸出PWM驅(qū)動脈沖外，還可以與外圍元件配合完成軟啟動、限流、短路保護、欠壓保護、過壓保護及自動重新啟動等功能。
    軟啟動電路由R17和C14組成；限流電路由R18、R19、R27及UC3841內(nèi)部的電流取樣比較器構成；短路保護電路由限流電路和UC3841內(nèi)部的故障鎖存器構成；欠壓保護電路由R5、R6及UC3841內(nèi)部的欠壓保護比較器、故障鎖存器構成；過壓保護電路由R3、R4及UC3841內(nèi)部的過壓保護比較器、故障鎖存器構成；自動重啟動電路由UC3841內(nèi)部的啟動和關斷電路構成。
    UC3707驅(qū)動器用于提高UC3841輸出的PWM驅(qū)動脈沖電流，T1起升壓和高低壓隔離作用；D4、D5、D7、D8齊納二極管用于限制功率開關管的柵源電壓。
1.1.2 輸出電路
    輸出電路由開關管（Q2和Q3）、輸出變壓器T2、整流管D10、電壓L1及C21～C24構成。
1.2 電路特點
    ●采用二個400V MOSFET代替一個800V MOSFET,大大提高了經(jīng)濟性。
    ●正激式電路的峰值電流和波紋比反激式電路小得多。
    ●箝位由工頻整流電壓實現(xiàn)，從而避免使用耗能的高壓緩沖器。
    ●變壓器自動復位
2. 電路工作原理
2.1 電源啟動原理
     當剛加上輸入交流電源時，由于UC3841的5V基準電壓還沒有建立，軟啟動電路處于關斷狀態(tài)。因此，使UC3841及驅(qū)動器UC3707處于關斷狀態(tài)。在此期間，工頻整流電壓通過R2、R5、R6給C10充電。
    當C10兩端電壓上升到一定值時，UC3841的5V基準電壓建立。5V基準電壓通過R17給C14充電，開始軟啟動過程。同時，UC3841為UC3707驅(qū)動器提供偏置電壓也隨之下降。此時，UC3841仍無PW驅(qū)動脈沖輸出（C14兩端有為低電平）。
    當C14兩端電壓上升到一定值時，UC3841開始輸出PWM驅(qū)動脈沖（C14兩端電壓處于高電平），開始輸出直流電壓。脈沖寬度開始增加（增加速度由R17和C14決定），輸出直流電壓也隨之增大。在此期間，C10仍處于放電狀態(tài)，驅(qū)動器偏置電壓也繼續(xù)下降 ，PWM脈沖幅度下降。
    C10兩端電壓下降到一定值時，輸出直流電壓使D2導通。隨著輸出直流電壓增大，C10改由輸出直流電壓充電。因此，驅(qū)動器偏置電壓開始增大，PWM脈沖寬度和幅度增大。在此期間，C14仍處于充電狀態(tài)。
    當輸出電壓增加到規(guī)定什（15V）時，D3A、D3B開始穩(wěn)壓，使UC3841輸出的PWM驅(qū)動脈沖寬度和幅度保持恒定。因此，輸出直流電壓穩(wěn)定在規(guī)定值（15V）。在此期間，C10、C14兩端電壓及驅(qū)動器偏置電壓不再變化。
     如果啟動失?。ú荒芙⒎€(wěn)定的輸出電壓），C10兩端電壓下降，使UC3841的5V基準電壓消失，C14開始放電，從而中斷電源啟動過程。然后，重新開始啟動過程。
2.2 故障保護原理
2.2.1 限流原理
     當輸出電流超過23A時，R27兩端電壓增加到一定值，經(jīng)過UC3841內(nèi)部的電流取樣比較器比較后，使UC3841輸出的PWM脈沖寬度減小，從而使輸出電流下降。
2.2.2 短路保護原理
     當輸出突然短路時，R27兩端電壓大大增加，經(jīng)過UC3841內(nèi)部的電流取樣比較器比較后，關斷內(nèi)部故障鎖存器，從而立即中斷PWM脈沖輸出。
2.2.3 欠壓保護原理
     當輸出電壓低于最小值時，R6兩端電壓很小，經(jīng)過UC3841內(nèi)部的欠壓保護比較器比較后，判斷內(nèi)部故障鎖存器，從而中斷PWAM脈沖的輸出。
2.2.4 過壓保原理
     當輸出電壓高于最大值時，R4兩端電壓增加很大，經(jīng)過UC3841內(nèi)部的過壓保護比較器比較后，關斷內(nèi)部的故障鎖存器，從而立即中斷PWM脈沖輸出。
3. 設計指標
    ●交流輸入電壓＝85～135V；
    ●交流輸入電壓＝170～275V；
    ●最小工頻頻率＝50Hz；
    ●輸出電壓＝15V；
    ●最大連續(xù)輸出電流＝20A；
    ●開關頻率＝200kHz；
    ●交流輸入變化引起的輸出電壓變化＝10mV；
    ●負載變化引起的輸出電壓變化＝10mV；
    ●輸出紋波電壓（峰峰值）＝100mV(0～20MHz）；
    ●滿載效率＝85%
4. 電路設計
4.1 輸入電容
    在設計輸入電容時，應該考慮的因素包括：由于電容維持電源在交流一個周期內(nèi)的正常工作，因此要保持最小的工頻整流電壓；在交流輸入中斷時，要求輸入電容能提供最小的保護時間；滿足交流有效值充電電流的要求。
    根據(jù)以上要求，輸入電容值可用下式求得：
其中PO為功率，η為效率，fO為工頻頻率，VCP為電容兩端最大電壓，VCMIN為電容兩端最小電壓。
4.2 初級和次級電流
     為了選擇開關管、二極管及變壓器導線的尺寸，必須確定最大初級和次級電流。初級峰值電流近似為：
其中VDCMIN為最小工頻整流電壓，DMAX為PWM脈沖的最大占空比。對于矩形脈沖來說，有效值電流等于峰值電流和占空比平方根的乘積。
4.3 MOSFET
    由于采用雙MOSFET作為功率開關，因此每一個功率開關最高電壓不超過最大工頻整流電壓。散熱要求由開關管導通電壓功耗決定：
     PL=IPP2