稳定性能宽电压输入UC3845BN变频开关电源设计

1.电路特点

1）超宽输入电压。一般的开关电源的输入电压范围比较小，只有180～265V，如果采用升压式变换电路的电压输入范围也只有AC90～270V。而反激式变换电路也只有AC90～265V，本电路应用了UC3845BN控制芯片，由图4-9内部框图可知，由于芯片集成压控振荡器（VCO），使输入电压可得到大幅提升，可达到AC90～600V，为满足市场需求而又不增加成本，取得了可喜的成果。图4-10是电路瞬时振荡与控制电压的关系。

图4-9 UC3845BN宽电压输入电流控制模式变换电路框图

图4-10 UC3845BN瞬时振荡频率f_V与控制电压U_C之间的关系

2）性能稳定、电路简单、成本低。UC3845BN采用电流控制模式，反激式变换原理。电流控制可使变换电路在变换过程中稳定性大大提高，主开关器件和变压器的利用率都会提高。从图4-11的原理图可知，原理图结构简单，所使用的元器件很少，因此，造价低廉。

3）电路设计有欠电压、过电流、过温多种保护设施，电路运行在600V高压电网输入电压时，对每个元器件的耐压绝缘强度要求特别高，尤其是对变压器的一次绕组应具有良好的绝缘性，较低的漏电感，要求开关功率的耐压档次更高。要求过电流、过温的保护更加有必要和具体。

2.UC3845BN电路工作原理与应用

UC3845BN电路由低通滤波及保护电路、EMI抑制电路、整流滤波电路、压控振荡电路、直流变换电路、反馈取样控制电路以及整流滤波输出电路组成。图4-9是宽输入电压、电流控制模式变换电路工作程序框图。要求反激式开关电源变换电路，在轻载时呈现不连续状态，重载时呈连续状态，这两种状态要求振荡变压器的电感电流在振荡周期中其释放电流为零值称为不连续模式，此时的电能为完全传递。要做到不连续模式的条件是：L_s≥V_ot²_off/2I_oT，V_o、I_o是电路输出电压、电流；开关管的峰值电流I_kmax=V_int_on/L_p，V_in为输入电压，L_s、L_p为变压器二次、一次电感。

图4-11 宽电压输入电流控制UC3845BN变频开关电源

完全传递的模式条件是L_s＜V_ot²_off/2I_oT；I_kmax=2P_oT/V_int_on。反激式变换电路，不管是工作在不连续工作模式还是连续模式，主开关晶体管和变压器的利用率都很高，但它们的控制特点不同，使转换系统稳定工作十分重要，电路采用了改变占空比和工作频率，结合电压负反馈，来改善误差放大器的瞬态响应、降低高频增益等都是系统稳定的重要措施。同时，必须看到，采用电流模式控制IC，会使开关功率管的导通时间，随着输入电压、电流的变化而变化，使功率管MOSFET的瞬时峰值电流产生剧烈变化，很有可能在功率管关闭期间发生饱和，导致变换电路可靠性降低。二极管VD₁₀为克服上述缺点而设计的。另外，必须采用新的方法改变功率开关管的导通时间和工作频率，本电路采用压控振荡器元件用作频率控制，一般压控元件是变容二极管，用直流电压控制变容二极管的振荡频率，是非常方便对频率实施调节的信号源。变容二极管受输入电压V_c的作用，引起振荡频率f_o的改变如图4-10所示，输入电压由变压器绕组L_f取得，经二极管VD₆，电容C₈的整流滤波，R₇、R₈分压，VS稳压，取得起始为3.3V的振荡电压，VS稳压二极管放在误差放大器的后面，接收电路负载和输出电压的变化而改变VCO的振荡频率，当输入电压最低，而电源输出为满负荷时，电路开关管占空比被使用到最大，VCO的振荡频率被推到最大，满足高负载和输出高压这一场合，R₈、C₁₀是频率振荡阻容，起始频率是140kHz，随着输出电压的升高，频率逐步下降，最后降至70kHz、3.3V的受控电压。FU是交流输入熔丝，以保护供电系统的安全。R_t是负温度系数热敏电阻，它为开机瞬间，因电容C₅、C₆的充电而产生浪涌电流进行旁路。C₁、C₂和L₁组成π型滤波或称为低滤波，它将抑制来自供电电网与开关电源所产生的EMI，C₃、C₄是Y电容，以保证人员和设备的安全，R₁，R₂是电解电容的泄放电阻，组成倍压整流电路，以达到90V超低压输入时反激式变换电路能正常工作。电阻R₃、R₄直接接电路的高压端，对C₉直接充电，当充电压达到16V时，IC₁开始工作，第6脚产生驱动电压，使VT₁进入工作状态。变压器反馈绕组L_f产生高频开关电压，经R₆限流，VD₆整流C₈滤波保证IC₁的工作电压。R₆阻值的大小既要满足正常的输出功率，又要防止输出端短路时，使V_cc跌落太大，影响IC的正常工作。C₁₁用作斜波补偿，当电路在输入低压工作时，避免出现振荡。R₁₂是电压负反馈取压电阻，用来检测输出电流的高低，起着过电流、短路保护作用。IC₂是光耦合器，IC₁的1脚有反馈信号接收放大、辨别作用，用它来控制PWM的占空比。电路R₅、C₇、VD₅组成网络吸收电路，防止或抑制变压器TR₁的漏电感而引起的尖峰电压，使TV₁安全工作。VD₈、VD₉是肖特基二极管，与电解电容C₁₂、C₁₃、L₂组成输出整流滤波，其目的是降低输出直流纹波。电阻R₁₆、R₁₈分别是基准电阻和调压电阻。UC3845BN电路电源可用于工业自动化控制、医疗器械、家用电器等。

3.UC3845BN电路主要元器件设计与计算

1）调压电阻R₁₇、R₁₈的计算

反馈电流I_F的计算：

输出总电流为 I_o=I_o1+I_o2=2A+1A=3A

反馈比例系数K₁、K₂分别为

反馈电流I_F1、I_F2分别为

I_F1=I_FK₁=250×0.667μA=166.75μA

I_F2=I_FK₂=250×0.333μA=83.25μA

反馈调整电阻R₁₇、R₁₈分别为

2）反馈电压各电阻的计算(www.xing528.com)

光耦合器的集电极直接接IC₁的1脚对电源进行控制，IC₁的内部误差放大器采集了工作频率f_o和峰值电流I_kmax进行比较，通过驱动放大，对开关管的占空比进行调整。稳压二极管VS对压控振荡电压控制转换，它的起始电压最低为3.3V，光耦合器的工作电流最低为5mA，电阻R₇连接V_cc与压控振荡之间，它的大小直接关系到电压负反馈的效率。，取1.8kΩ。

R₁₃光耦合器限流电阻的计算

光耦合器IC₂的最低工作电流一般为10mA，它的电流高低是随着输出负载电流而改变的，也跟IC₂的电流传输有关系。

式中，V_o2为输出电压5V；V_REF为精密稳压源基准电压2.5V；V_LED为发光二极管点亮最低电压1V。

3）振荡变压器TR₁的设计

输出功率P_o=V_o1I_o1+V_o2I_o2=12×2W+5×1W=29W

变压器一次输入直流电压

电源输入功率

电源输入电流有效值

电源输入电流最大值

开关电源所采用的变频功率转换方式，它从70～140kHz变化，取平均工作频率100kHz，根据表1-3选用EE28磁心，它的磁心截面积A_e=78mm²。变压器的一次电感L_p为

变压器的感应电压从127V至854V变动时，磁感应强度也发生变化，ΔB=100mT，

变压器一次绕组匝数N_P：

t_on=DT=0.45×10μs=4.5μs，取占空比中间值0.45。

变压器二次绕组匝数N_s1的计算

式中，V_d为肖特基二极管正向导通压降，为0.4V。

值得注意的是，因输入电压太高，而且变化范围很大，因而对开关功率管的耐压规格要求也很高，变压器的一次绕组必须有良好的绝缘性，对变压器的绕制工艺也很严格，尤其是它的绝缘材料和防火墙都要注意，以免发生设备和人身安全。