【文章內(nèi)容簡介】 閥值電壓附近工作而引起的振蕩。芯 片起動電流為 mA1 ，所以，芯片可以對高壓用電阻降壓起動，待起動完成后由饋電繞組供電。還提供 V5 的基準電壓 ,帶載能力 mA50 。在 UC3842 的輸入端與地之間， 第 11 頁 共 25 頁 還有 V34 的穩(wěn)壓管，一旦輸入端出現(xiàn)高壓，該穩(wěn)壓管就被反向擊穿，將供電電壓鉗位于V34 ，保護芯片不致?lián)p壞。 TOP243Y 工作原理 和特點 TOPSwitch 系列器件是三端離線式 PWM 開關(guān)器件 (Three terminal off line PWM Switch)。第四代單片開關(guān)電源 TOPSwitchGX 是一個集成的開關(guān)模式電源芯片。通過高電壓電源 MOS 管的漏極 D 輸入量來改變輸入占空比的大小從而使輸出穩(wěn)定。在正常工作情況下，功率 MOS 管的占空比隨控制引腳電流的增加而線性減少。 第四代 TOPSwitchGX 芯片具有以下特點： 1) 功率擴展到最大 W250 ，適合構(gòu)成大、中功率的高效率、隔離式開關(guān)電源； 2) 外圍 電路簡單，成本低廉； 3) 完全集成的 ms10 軟啟動，限制啟動時的峰值電流和電壓，顯著降低或消 除大多數(shù)應(yīng)用中的輸出過沖； 4) 對于大多電源來說，可寬范圍輸入，具有更小的輸出電容； 5) 在 Y/R/F 封裝上有離線和電流限制管腳； 6) 具有線性限壓檢測，無關(guān)斷尖峰干擾； 7) 頻率抖動可減少 EMI； 8) 用單電阻設(shè)置可同時實現(xiàn)過壓和欠壓保護； 9) 在輕載時，頻率減小能降低開關(guān)損耗和維持穩(wěn)定的輸出，保持多路輸出電 源具有良好的交叉穩(wěn)壓精度，且空載時不需要假負載； 10) 有電壓前饋，能有效減少電源紋波，增加承受 瞬態(tài)干擾和浪涌電壓的能 力。 a) TOP243Y 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 其 內(nèi)部結(jié) 構(gòu)圖如圖 33： 第 12 頁 共 25 頁 圖 33 TOP243Y 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 TOP243Y 控制芯片主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、頻率抖動振蕩器、軟啟動電路等 18 部分組成 ,具體結(jié)構(gòu)如 上圖 33 所示。外部有 6 個管腳腳，管腳功能描述如下： ① D 管腳：高電壓電源 MOS 管漏極 D 輸出。內(nèi)部起始偏置電流通過一個轉(zhuǎn)換高電壓電流源來驅(qū)動這個管腳。漏極電流的內(nèi)部流限檢測點。 ② C 管腳：誤差放大器和反饋電流輸入管腳用于調(diào)節(jié)占空比的大小。與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器相連接， 提供正常工作時的內(nèi)部偏置電流。也用作電源旁路和自動重啟動 /補償電容的連接點。 ③ L 管腳：對于 OV(過壓 )， UV(欠壓 )的輸出管腳 ,線路檢測伴隨著 減少， maxD 開關(guān)開通或關(guān)斷及同步性。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。 ④ X 管腳：外部流限調(diào)節(jié)、遠程開 /關(guān)控制和同步輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。 ⑤ F 管腳：這個管腳是用來選擇輸入開環(huán)頻率的。連接到 S 管腳時，則輸出 132kHz，如果與 C 管腳相連，則輸出為 66kHz。 ⑥ S 管腳：這個引腳 是功率 MOS 管的源極連接點，用于高壓功率的回路，也是初級控制電路的公共點及參考地點。 第 13 頁 共 25 頁 b) TOP243Y 工作原理分析 TOP243Y 是利用反饋電流 IC 來調(diào)節(jié)占空比 D，從而達到穩(wěn)定的目的，屬于 PWM 型電流反饋模式。當 V0 降低時，經(jīng)過光耦反饋電路使得 IC 減少，則占空比 D 相應(yīng)增大，從而達到穩(wěn)壓目的，反之亦然。 芯片內(nèi)部具體工作過程分析如下：在啟動的過程中，當濾波后的直流高電壓加在 D管腳時， MOS 管起初出于關(guān)斷狀態(tài)，在開關(guān)高電壓電流源連接在 D 管腳和 C 管腳之間，C 管腳電容被充電。當 C 管腳的電壓 VC 達到大概 的時候，控制電路被激活并開始軟啟動。在 10ms 左右時間內(nèi)，軟啟動電路使 MOS 管的占空比從零逐漸上升到最大值。如果在軟啟動末期，沒有內(nèi)部的反饋和電流回路加在管腳 C 上，高電壓電流源將轉(zhuǎn)向，C 管腳在控制回路之間通過放電來維持驅(qū)動電流。 對 UC3842和 TOP243Y的結(jié)構(gòu)特點、功能特點以及優(yōu)缺點對比，本設(shè)計采用 UC3842。 電力場效應(yīng)管 MOSFET 開關(guān) 電源中的功率開關(guān)晶體管是 影響電源可靠性的關(guān)鍵器件。開關(guān)電源所出現(xiàn)的故障中約 60%是功率開關(guān)晶體管損壞引起的。主電路中用作開關(guān)的功率管主要有雙極型 晶體管和 MOSFET 兩種。隨著綠色開關(guān)電源的發(fā)展， IGBT、 BSIT 及聯(lián)柵晶體管（ GAT）等新型功率開關(guān)器件也不斷地涌現(xiàn)。 因為開關(guān)管的工作頻率為 100kHz,故選擇 MOSFET 作為開關(guān)管。 MOSFET 分為 P 溝道耗盡型、 P 溝道增強型、 N 溝道耗盡型和 N 溝道增強型 4 中類型。增強型 MOSFET 具有應(yīng)用方便的“常閉”（即驅(qū)動信號為零時，輸出電流為零）特性。在開關(guān)電源中，用作開關(guān)功率管的 MOSFET 幾乎全部都是Ｎ溝道增強型器件。這是因為 MOSFET 是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的存 儲時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_關(guān)速度。 a) 場效應(yīng)管的主要參數(shù)介紹 ： ①漏源擊穿電壓 DSBV ， 表征功率管的耐壓極限。 ② 最大漏極電流 maxDI ， 在特性曲線飽和區(qū)中 ,漏極電流達到的飽和值。 ③ 閥值電壓 ? ?thGSV ，又稱開啟電壓 ,是指功率 MOSFET 流過一定量的漏極電流時的最小柵源電壓。當柵源電壓大于閥值電壓 ? ?thGSV 時 ,功率 MOSFET 開始導(dǎo)通 。閥值電壓? ?thGSV 一般在 VV ? 之間。 ④ 導(dǎo)通電阻 ONR ， 導(dǎo)通電阻是指在確定的柵源電壓 GSV 下 ， 功率 MOSFET 處于恒流區(qū)的直流電阻 ， 它與輸出特性密切相關(guān) ,在開關(guān)電源中 ， ONR 決定了輸出電壓和自身的損耗。一般導(dǎo)通電阻 ONR 小 ,漏源擊穿電壓 DSBV 高的 MOSFET 好。現(xiàn)在的工藝水平可以達到 1? 以下。 ⑤ 跨導(dǎo) (互導(dǎo) ) mg ， 表征功率 MOSFET 的放大性能。 ⑥ 最高工作頻率 mf ， 在漏源電壓 DSV 的作用下，電子從源區(qū)通過溝道到漏區(qū)是需要一定時間的。當柵源之間的控制信號的周期與此時間相當時，電子就來不及跟隨控制信 第 14 頁 共 25 頁 號。這個信號的頻率就是最高工作頻率。我們選用 MOSFET 的原因之一便是由于它的響應(yīng)頻率較高，一般達 到幾百 KHZ。 ⑦ 導(dǎo)通時間 ont ， 和關(guān)斷時間 offt ， MOSFET 是依靠多數(shù)載流子傳導(dǎo)電流的。一般來說 ,影響開關(guān)速度的主要因數(shù)是器件的輸入電阻 inR 、 輸入電容 inC 、輸出電阻 outR 、輸出電容 outC 。 導(dǎo)通時間 ont 定義為：從輸入信號波形上升至幅值 10%到輸出信號下降至幅值的 90%所需時間；關(guān)斷時間 offt 定義為：從輸入信號波形下降至幅值的 90%到輸出信號上升至幅值的 10%所需時間 :開關(guān)時間幾乎與溫度變化無關(guān)，但與柵極驅(qū)動電源以及漏極所接的負載性質(zhì)、大小有關(guān)。一般導(dǎo)通時間 ont 為幾十納秒，關(guān)斷時間 offt 為幾百到幾千納秒。 ont 隨 DI 增加而增加 ， offt 卻隨 DI 增加而減小。 ⑧ 極間電容 ,極間電容是影響開關(guān)頻率的主要因數(shù)。 b) 功率 MOSFET 與功率晶體管的比較 ： 功率 MOSFET 比功率晶體管有如下的優(yōu)點 ： 1) 開關(guān)速度非?？?。功率 MOSFET 是多數(shù)載流子器件，不存在功率 BJT 的少數(shù)載流子存貯效應(yīng) ,所以具有非?？斓拈_關(guān)速度。一般低壓器件開關(guān)時間為10ns 數(shù)量級，高壓器件為 100ns 數(shù)量級。特別適合于制作高頻開關(guān) ,可以大大減少元件的損耗、尺寸和重量。 2) 高輸入阻抗和低驅(qū)動電流；直流電阻達 ?M40 以上，因而它的輸入阻抗極高，是一種理想的電壓控制器件。平均直流驅(qū)動電流很小，在 100nA 數(shù)量級。 3) 安全工作區(qū)大 。功率 MOSFET 沒有二次擊穿。 4) 漏極電流為負的溫度系數(shù)有良好的熱穩(wěn)定性?？梢院唵蔚夭⒙?lián)以增加其電流容量。 c) MOSFET 的驅(qū)動 ： 功率 MOSFET 工作頻率可以達到很高，但是當功率 MOSFET 工作在高頻時，就會出現(xiàn)振蕩。為了防止振蕩 ,應(yīng)注意兩點： 1) 盡可能減少功率 MOSFET 各端點的連線長度，特別是柵極引線。或者在靠近柵極處串聯(lián)一個小電阻以便抑制寄生振蕩； 2) 由于功率 MOSFET 的輸入 阻抗高，驅(qū)動電源的阻抗必須比較低，以避免正反饋所引起的振蕩。 TL431 TL431 是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。 它 的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設(shè)置到從 erfV （ ）到 36V 范圍內(nèi)的任何值。 基 本應(yīng)用電路 如下 圖 34： 第 15 頁 共 25 頁 圖 34 TL431 基本應(yīng)用電路圖 系統(tǒng)原理圖 經(jīng)過對開關(guān)電源 工作原理的分析與了解，以及對輸入電路、主電路、輸出電路、反饋電路和控制電路的構(gòu)成和各 電路器件的選擇，設(shè)計出了本課題要求的 原理 圖 如 圖 35： 圖 35 100W 反激式開關(guān)電源原理圖 系統(tǒng)原理 本文以 UC3842 為核心控制部件，設(shè)計一款 AC 220V 輸人， DC 12V 功率 100W 輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。主要的功能模塊包括 :啟動電路、過流過壓欠壓保護電路、反饋電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進行分析。 a) 啟動電路 如圖 35 所示，交流電 由 1C 、 L 、 2C 進行低通濾波， 是單級低通濾波電路。 其中 1C 、2C 組成抗串模干擾電路， 所用的電容啥聚酯電容， 用于抑制正態(tài)噪聲 。 低通濾波回路 第 16 頁 共 25 頁 啥開關(guān)電源輸入的“大門”，電網(wǎng)電力就是經(jīng)低通濾波進入的。它有兩個作用：第一，防止輸入電源竄入噪聲干擾，同時還要抑制浪涌電壓、尖峰電壓的進入；第二，阻止、限制開關(guān)電源所產(chǎn)生的噪聲、高頻電磁干擾信號通過輸入電線饋進入電網(wǎng)。 濾 波后的交流電壓經(jīng) 41 DD? 橋式整流以及電解電容 3C 濾波后變成 V310 的脈動直流電壓，此電壓經(jīng) 1R 降壓后給 5C 充電 ，當 5C 的電壓達到 UC3842 的啟動電壓門檻值時 ,UC3842 開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由腳 6 輸出推動開關(guān)管工作。隨著 UC3842 的啟動， 1R 的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓給 UC3842供電。由于輸入 電壓超過了 UC3842 的工作，為了避免意外，用 6D 穩(wěn)壓管限定 UC3842的輸人電壓，否則將出現(xiàn) UC3842 被損壞的情況。 b) 短路過流、過壓、欠壓保護電路 由于輸入 電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時會導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路、過壓、欠壓等 不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生。 因此，電路必須具有一 定的保護功能。如 圖 35所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅 度上升， 4R兩端的電壓上升， UC3842 的腳 3 上的電壓也上升。當該腳的電壓超過正常值 達到1V(即電流超過 )時， UC3842 的 PWM 比較器輸出高電平，使 PWM 鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。這時， UC3842 的腳 6 無輸出， MOS 管 1Q 截止，從而保護了電路。如果供電電壓發(fā)生過壓 (在 265V 以上 )， UC3842 無法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的 初級繞組電壓大大提高，UC3842 的腳 7 供電電壓也急劇上升，其腳 2 的電壓也上升，關(guān)閉輸出。如果電 網(wǎng)的電壓低于 85V,UC3842 的腳 1 電壓也下降，當下降 1V(正常值是 )以下時， PWM 比較器輸出高電平，使 PWM 鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。 因此，此電路具有過壓、欠壓雙 重保護。 c) 反饋電路 反饋電路采用精密穩(wěn)壓源 TL431 和線性光耦 PC817（由于仿真軟件 multisim 中沒有PC817 故用其他元件代替）。利用 TL431 可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進 行精確的調(diào)整。如 圖 35 所示， 8R 、 9R 是精密穩(wěn)壓源 的外接控制電阻，它 決定輸出電壓的高低， 和 TL431 一并 組成外部誤差放大器。 當輸出電壓升高時，取樣電壓也隨之升高， 設(shè)定電壓大于基準電壓 （ ），使 TL431 內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)動三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓 oV 下降，最后 oV 趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起設(shè)置電壓下降，當輸出電壓低于設(shè)置電壓時，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動三極管的輸出電壓升高，最終使得 UC3842 的腳 1 的補償輸人電流隨之變化， 促使片內(nèi)對 PWM 比較器進行調(diào)節(jié)，改變占空比，達到穩(wěn)壓的目的。 d) 輸出 整流濾波電路 輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關(guān)電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個方面。 第 17 頁 共 25 頁 1) 輸人電源的噪聲，是指輸人電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸人端加電容 8C ，以濾除此噪聲干擾。