由UC3841控制的300W离线式开关电源

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　由UC3841控制的300W离线式开关电源
杨富印

摘要：本文介绍了由UC3841控制的300W离线式开关电源的组成及特点，详细分析了该电源的工作原理。最后，为了便于读者自行设计，本文还给出了实用的设计公式。
关键词：离线式开关电源；PWM控制；正激式电路；反激式电路；UC3841

1. 电路组成及特点
1.1 电路组成
由UC3841控制的300W离线式电源电路。它主要由控制和驱动电路、输出电路组成。
1.1.1 控制驱动电路
控制驱动电路主要由UC3841构成。UC3841除了输出PWM驱动脉冲外，还可以与外围元件配合完成软启动、限流、短路保护、欠压保护、过压保护及自动重新启动等功能。
软启动电路由R17和C14组成；限流电路由R18、R19、R27及UC3841内部的电流取样比较器构成；短路保护电路由限流电路和UC3841内部的故障锁存器构成；欠压保护电路由R5、R6及UC3841内部的欠压保护比较器、故障锁存器构成；过压保护电路由R3、R4及UC3841内部的过压保护比较器、故障锁存器构成；自动重启动电路由UC3841内部的启动和关断电路构成。
UC3707驱动器用于提高UC3841输出的PWM驱动脉冲电流，T1起升压和高低压隔离作用；D4、D5、D7、D8齐纳二极管用于限制功率开关管的栅源电压。
1.1.2 输出电路
输出电路由开关管（Q2和Q3）、输出变压器T2、整流管D10、电压L1及C21～C24构成。
1.2 电路特点
●采用二个400V MOSFET代替一个800V MOSFET,大大提高了经济性。
●正激式电路的峰值电流和波纹比反激式电路小得多。
●箝位由工频整流电压实现，从而避免使用耗能的高压缓冲器。
●变压器自动复位
2. 电路工作原理
2.1 电源启动原理
当刚加上输入交流电源时，由于UC3841的5V基准电压还没有建立，软启动电路处于关断状态。因此，使UC3841及驱动器UC3707处于关断状态。在此期间，工频整流电压通过R2、R5、R6给C10充电。
当C10两端电压上升到一定值时，UC3841的5V基准电压建立。5V基准电压通过R17给C14充电，开始软启动过程。同时，UC3841为UC3707驱动器提供偏置电压也随之下降。此时，UC3841仍无PW驱动脉冲输出（C14两端有为低电平）。
当C14两端电压上升到一定值时，UC3841开始输出PWM驱动脉冲（C14两端电压处于高电平），开始输出直流电压。脉冲宽度开始增加（增加速度由R17和C14决定），输出直流电压也随之增大。在此期间，C10仍处于放电状态，驱动器偏置电压也继续下降 ，PWM脉冲幅度下降。
C10两端电压下降到一定值时，输出直流电压使D2导通。随着输出直流电压增大，C10改由输出直流电压充电。因此，驱动器偏置电压开始增大，PWM脉冲宽度和幅度增大。在此期间，C14仍处于充电状态。
当输出电压增加到规定什（15V）时，D3A、D3B开始稳压，使UC3841输出的PWM驱动脉冲宽度和幅度保持恒定。因此，输出直流电压稳定在规定值（15V）。在此期间，C10、C14两端电压及驱动器偏置电压不再变化。
如果启动失败（不能建立稳定的输出电压），C10两端电压下降，使UC3841的5V基准电压消失，C14开始放电，从而中断电源启动过程。然后，重新开始启动过程。
2.2 故障保护原理
2.2.1 限流原理
当输出电流超过23A时，R27两端电压增加到一定值，经过UC3841内部的电流取样比较器比较后，使UC3841输出的PWM脉冲宽度减小，从而使输出电流下降。
2.2.2 短路保护原理
当输出突然短路时，R27两端电压大大增加，经过UC3841内部的电流取样比较器比较后，关断内部故障锁存器，从而立即中断PWM脉冲输出。
2.2.3 欠压保护原理
当输出电压低于最小值时，R6两端电压很小，经过UC3841内部的欠压保护比较器比较后，判断内部故障锁存器，从而中断PWAM脉冲的输出。
2.2.4 过压保原理
当输出电压高于最大值时，R4两端电压增加很大，经过UC3841内部的过压保护比较器比较后，关断内部的故障锁存器，从而立即中断PWM脉冲输出。
3. 设计指标
●交流输入电压＝85～135V；
●交流输入电压＝170～275V；
●最小工频频率＝50Hz；
●输出电压＝15V；
●最大连续输出电流＝20A；
●开关频率＝200kHz；
●交流输入变化引起的输出电压变化＝10mV；
●负载变化引起的输出电压变化＝10mV；
●输出纹波电压（峰峰值）＝100mV(0～20MHz）；
●满载效率＝85%
4. 电路设计
4.1 输入电容
在设计输入电容时，应该考虑的因素包括：由于电容维持电源在交流一个周期内的正常工作，因此要保持最小的工频整流电压；在交流输入中断时，要求输入电容能提供最小的保护时间；满足交流有效值充电电流的要求。
根据以上要求，输入电容值可用下式求得：
其中PO为功率，η为效率，fO为工频频率，VCP为电容两端最大电压，VCMIN为电容两端最小电压。
4.2 初级和次级电流
为了选择开关管、二极管及变压器导线的尺寸，必须确定最大初级和次级电流。初级峰值电流近似为：
其中VDCMIN为最小工频整流电压，DMAX为PWM脉冲的最大占空比。对于矩形脉冲来说，有效值电流等于峰值电流和占空比平方根的乘积。
4.3 MOSFET
由于采用双MOSFET作为功率开关，因此每一个功率开关最高电压不超过最大工频整流电压。散热要求由开关管导通电压功耗决定：
PL=IPP2