工程师不可不知的开关电源关键设计（三）

　　控制电路是整个开关电源的核心， 控制的好坏直接决定了电源整体性能。这个电路采用峰值电流型双环控制，即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。电路电流环控制采用UC3842 内部电流环，电压外环采用T L431 和光耦PC817 构成的外部误差放大器，误差电压直接送到UC3842 的1 脚。误差电压与电流比较器的同相输入端3 脚经采样电阻采集到初级侧电流进行比较，从而调节输出端脉冲宽度。2 脚接地。R4， C5 是UC3842 的定时元件， 决定UC3842 的工作频率，此设计中R4= 5.6 kΩ ，C5= 3300 pF.当UC3842 的1 脚电压低于1 V 时，输出端将关闭；当3 脚上的电压高于1 V 时，电流限幅电路将开始工作，UC3842 的输出脉冲中断。开关管上波形出现“打嗝”现象，从而可以实现过压、欠压、限流等保护功能。

　　图2 系统原理图

　　3 反馈回路参数的计算

　　反馈电路采用精密稳压源TL431 和线性光耦PC817 构成外部误差电压放大器。并将输出电压和初级侧隔离。如图2 所示， R11、R12 是精密稳压源的外接控制电阻， 决定输出电压的高低， 和T L431 一并组成外部误差放大器。当输出电压Vo 升高时， 取样电压VR 13 也随之升高， 设定电压大于基准电压（TL431 的基准电压为2.5 V） ， 使TL431 内的误差放大器的输出电压升高， 致使片内驱动三极管的输出电压降低， 使输出电压Vo 下降， 最后V o 趋于稳定； 反之， 输出电压下降引起设定电压下降， 当输出电压低于设定电压时， 误差放大器的输出电压下降， 片内驱动三极管的输出电压升高， 最终使UC3842 的脚1 的补偿输入电流随之变化， 促使片内对PWM 比较器进行调节， 改变占空比， 达到稳压的目的。

　　从TL431 技术资料可知， 参考输入端的电流为2 μA， 为了避免此端电流影响分压比和避免噪声的影响， 通常取流过电阻R13 的电流为T L431 参考输入端电流的100 倍以上［ 6］ ， 所以：

　　这里选择R13= 10 k Ω，根据TL431 的特性可以计算R12：

　　其中， TL431 参考输入端电压Uref= 2.5 V。

　　TL431 的工作电流Ika 范围为1~ 150 mA， 当R9 的电流接近于零时， 必须保证I ka 至少为1 mA， 所以：

　　其中， 发光二极管的正向压降Uf= 1.2 V。

　　UC3842 的误差放大器输出电压摆幅0.8 V《 Vo《 6 V， 三极管集射电流I c受发光二极管正向电流If 控制， 通过PC817 的Vce与I c关系曲线（ 图3） 可以确定PC817 二极管正向电流I f 。由图3可知， 当PC817 二极管正向电流I f 在7 mA 左右时， 三极管的集射电流I c在7 mA 左右变化， 而且集射电压Vce 在很宽的范围内线性变化， 符合UC3842 的控制要求。

　　图3 PC817 集射极电压Vce与二极管正向电流If 的关系图

　　PC817 的电流传输比CTR= 0. 8~ 1. 6， 当I c= 7mA 时， 考虑最坏的情况， 取CT R= 0.8， 此时要求流过发光二极管最大电流：

　　所以：

　　其中， Uka为TL431 正常工作时的最低工作电压， Uka = 2.5 V.发光二极管能承受的最大电流为50 mA，TL431 最大电流为150 mA， 故取流过R9 的最大电流为50 mA。

　　R9 的取值要同时满足式（ 5） 和式（ 6） ， 即162《 R9《 949， 可以选用750Ω 。

　　4 基于MOS 管最大耐压值的反激变压器设计

　　由变换器预定技术指标可知变压器初级侧电压Vdcmin= 240 V， Vdcmax= 380 V， 预设效率η= 85%， 工作频率f = 65 kHz， 电源输出功率P out= 25 W。

　　变压器的输入功率：

　　根据面积乘积法来确定磁芯型号， 为了留有一定裕量， 选用锰锌铁氧体磁芯EE25/ 20， 电感量系数A L=1 750 nH/ N2 ， 初始磁导率μi= 2 300， 有效截面积A e= 42. 2 mm2 。

　　因为所选的MOS 管的最大耐压值V MOSmax= 700 V.在150 V 裕量条件下所允许的最大反射电压：

　　最大占空比：

　　初级电流：

　　初级最大电感量：

　　其中， f 是开关频率， Hz.

　　初次级匝数比：

　　初级匝数：

　　其中， 磁感应强度Bw= 0？？ 23 T ; 由于此变换器设计在断续工作模式k= 1（ 连续模式k= 0.5）。

　　磁芯气隙：

　　次级匝数：

　　辅助绕组匝数：

　　其中， Va 是辅助绕组电压， V 。

　　为了减小变压器漏感， 采用夹心式绕法， 初级绕组分N p1 （ 78 T ） 和N p2 （ 78 T） 两部分绕制， 如图4 所示， Np1 绕在骨架最里层， 次级绕组N s绕在N p1和N p2之间， 辅助绕组绕Na 在最外层。

　　图4 变压器绕制示意图

　5 样机测试结果及分析

　　直流输入电压300 V 时所测结果如图5 所示。

　　图5 MOSFET栅源极电压波形图

　　从图5 可以看出： 开关管驱动脉冲前沿电压比较陡峭， 电压上升很快， 而且上升沿有一定过冲， 可以加快开关管的开通， 驱动电平适中， 满足驱动要求。开关管驱动脉冲占空比随着负载的加大而增大， 以满足输出电压的需要。带载2 A 时， 占空比达到31.33% 。

　　图6 MOSFET 漏源极间电压波形图

　　从图6 可以看出： 当负载为额定负载2 A 时， 变换器可靠地工作在断续模式。继续加大负载可以看到变换器的工作状态从断续模式到连续模式的过渡过程。钳位电路经调试以后， 使漏源极电压小于MOSFET的最大耐压750 V， 并有一定余量， 从而保护了MOSET ， 延长使用寿命。

　　如图7 所示， PWM 控制器U C3842 从采样电阻取得的流经MOSFET 电流波形。2 A 额定负载下峰值0. 93 V， 小于1 V， 控制器内部限幅电路不工作， 变换器可以稳定工作。大于1 V 时， 控制器会关闭驱动输出， 变换器停止工作。实现过载保护功能。

　　图7 3 脚C/ S 端电流检测波形图（ 带载2 A 时）

　　从图5 -图7 可以看到， 从轻载到重载的负载条件过渡中， 所设计的变换器从电流断续模式到电流临界连续模式下工作。满载效率87？？ 8%， 负载调整率2？？ 5% ，电压调整率0？？ 056% 。测试结果证明样机工作稳定可靠， 具有良好的静动态特性而且符合预定的性能指标。

　　五、开关电源中浪涌电流抑制模块的应用

　　1 上电浪涌电流

　　目前，考虑到体积，成本等因素，大多数AC/DC变换器输入整流滤波采用电容输入式滤波方式，电路原理如图1所示。由于电容器上电压不能跃变，在整流器上电之初，滤波电容电压几乎为零，等效为整流输出端短路。如在最不利的情况（上电时的电压瞬时值为电源电压峰值）上电，则会产生远高于整流器正常工作电流的输入浪涌电流，如图2所示。当滤波电容为470μF并且电源内阻较小时，第一个电流峰值将超过100A，为正常工作电流峰值的10倍。

　　浪涌电流会造成电源电压波形塌陷，使得供电质量变差，甚至会影响其他用电设备的工作以及使保护电路动作；由于浪涌电流冲击整流器的输入熔断器，使其在若干次上电过程的浪涌电流冲击下而非过载熔断。为避免这类现象发生，而不得不选用更高额定电流的熔断器，但将出现过载时熔断器不能熔断，起不到保护整流器及用电电路的作用；过高的上电浪涌电流对整流器和滤波电容器造成不可恢复的损坏。因此，必须对带有电容滤波的整流器输入浪涌电流加以限制。

　　2 上电浪涌电流的限制

　　限制上电浪涌电流最有效的方法是，在整流器与滤波电容器之间，或在整流器的输入侧加一负温度系数热敏电阻（NTC），如图3所示。利用负温度系数热敏电阻在常温状态下具有较高阻值来限制上电浪涌电流，上电后由于NTC流过电流发热使其电阻值降低以减小NTC上的损耗。这种方法虽然简单，但存在的问题是限制上电浪涌电流性能受环境温度和NTC的初始温度影响，在环境温度较高或在上电时间间隔很短时，NTC起不到限制上电浪涌电流的作用，因此，这种限制上电浪涌电流方式仅用于价格低廉的微机电源或其他低成本电源。而在彩色电视机和显示器上，限制上电浪涌电流则采用串一限流电阻，电路如图4所示。最常见的应用是彩色电视机，这种方法的优点是简单，可靠性高，允许在宽环境温度范围内工作，其缺点是限流电阻上有损耗，降低了电源效率。事实上整流器上电处于稳态工作后，这一限流电阻的限流作用已完成，仅起到消耗功率、发热的负作用，因此，在功率较大的开关电源中，采用上电后经一定延时后用一机械触点或电子触点将限流电阻短路，如图5所示。这种限制上电浪涌电流方式性能好，但电路复杂，占用体积较大。为使应用这种抑制上电浪涌电流方式，象仅仅串限流电阻一样方便，本文推出开关电源上电浪涌电流抑制模块。

　　3 上电浪涌抑制模块

　　3.1 带有限流电阻的上电浪涌电流抑制模块

　　将功率电子开关（可以是MOSFET或SCR）与控制电路封装在一个相对很小的模块（如400W以下为25mm×20mm×11mm）中，引出3～4个引脚，外接电路如图6（a）所示。整流器上电后最初一段时间，外接限流电阻抑制上电浪涌电流，上电浪涌电流结束后，模块导通将限流电阻短路，这样的上电过程的输入电流波形如图6（b）所示。很显然上电浪涌电流峰值被有效抑制，这种上电浪涌电流抑制模块需外接一限流电阻，用起来很不方便，如何将外接电阻省掉将是电源设计者所希望的。