基于MC3423的OVP反激式开关电源设计

引言

    随着电力电子技术的发展。绿色、高效、智能、稳定的电源系统已成为当代电源系统发展的主流和趋势。开关电源是一种新型电源变换器。它利用变化电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，从而起到变压作用。根据电磁辐射原理，电磁辐射的能量与频率f有关，频率越高，能量越大。因此，如将变压器开关频率提高，则在相同功率下，变压器体积变小，电源效率增高；而在开关电源体积减小、效率增高的同时，又要保证电源系统输出的稳定性和安全性，这就要求在开关电源输出上必须加上保护措施，以防止过压和过流，从而保护后继用电器。

    开关电源的设计通常包括电路设计和磁路设计两部分，电路的设计包括输入电路、PWM控制电路、输出电路和过压过流保护等；磁路的设计主要包括高频隔离变压器等。本文以MC3423为输出过压保护电路，给出了一种反激式开关电源的设计方法。

1 电路设计

1．1 输入电路设计

    若输入电压一般为AC180 V～260 V。一次整流滤波后的空载峰值电压为直流253～368 V，交流电流频率为50 Hz，每个线路同期的能量Ein为：
   
    其中，Pout为输出功率；η为电源转换效率；f为交流电频率；这样，根据能量的基本关系，每个周期电网为电源提供的能量为：
   
    式中，Vpk是输入最低交流电压经整流后的直流峰值电压Vin min是最低工作直流电压值。这样，有：
   
    若Cin取标称值100 μF，耐压400 V。那么，该滤波电容将减小一次整流滤波后的输出纹波电压。图1所示是一个电源输入电路图。

1．2 PWM控制电路设计

    UC3842型PWM控制器是一款保护功能比较完善的集成电路，它采用DIP8封装。具有输入过压保护、输入欠压保护、输出过流保护等功能。而且过流保护是用逐个脉冲限流保护方式与过流关闭保护方式共用，通过不同阀值比较器实现保护功能，当出现过载时，这些比较器将短路PWM输出脉冲，同时打开慢启动晶体管，并慢启动电容放电，从而保证故障消除后系统能够正确的重新启动，UC3842的PWM产生电路如图2所示。

1．3 输出过压保护电路设计

    MC3423是实现OVP检测的专用芯片。MC3423一般和晶闸管(SCR)配合使用来构成过压保护电路(OVP)。OVP用于保护监视电路，以避免其由于过压或稳压器故障而造成损坏。当系统发生过压时，过压检测器将触发SCR导通而短路系统电源，迫使电源进入限流状态或通过烧断保险丝来断开系统供电。保护电压阈值可通过外接分压电阻来决定。为了避免被监视电压由于噪声而导致OVP误动。引起保护动作的最小持续时间可通过外接电容来调整。过压保护电路的作用是在输出电压超过设计值时，把输出电压限定在安全范围内。MC3423主要由两个比较器、一个内部基准电压发生器

    一个恒流源电路和驱动三极管组成，MC3423的内部结构和引脚排列如图3所示。其引脚功能如下：
    Vec：芯片供电端，电压为4．5～40 V；
    Sense 1：第一个比较器反相输入端，可通过分压电阻接被监视电压，引脚正常输出电压为2．3～2．8 V：
    Sense 2：第二个比较器同相输入端，与电流源输出脚(脚4)相连，引脚正常输出电压为2．3～2．8V；
    Current Source：电流源输出，引脚正常输出电流为0．1～0．3 mA；
    Remode Activation：远程作用输入，第二个比较器强制作用脚，引脚电压应大于14V；
    Indicator Output：过压指示，三极管集电极开路输出脚，使用时外接上拉电阻；
    VEE：接地端；
    Drive Output：过压输出驱动引脚；当检测到过压后，第8脚触发外接SCR导通，该引脚采用射随输出。

    当输入超过MC3424的感应电压后，器件的过压保护输出引脚(8脚)将立即输出一个电压以触发SCR导通，以使大电流通过SCR，从而保护用电系统，基于MC3423的OVP电路有两种接法：

    其一是当输出感应检测电压接Sense 1(2脚)时，3脚和4脚须短路，如检测到输出过压，8脚输出电压将触发SCR导通；

    其二是当输出感应检测电压接Sense 2(3脚)时，3脚和4脚须断路，此时如检测到输出过压，8脚输出电压将触发SCR导通。

    MC3423的OVP应用电路如图4所示。

    该过压保护电路的输入可通过R1和R2分压后由Sense 1引脚输入，R2应小于10 kΩ，R2过大会引起电路漂移，R2通常可取2.7 kΩ；这样，根据阀值电压：，即可得出R1。图4中的Rg为SCR触发限流电阻(取RG=470 Ω)。可控硅采用2N6400，它的正向导通电流为16 A，浪涌电流为160 A，采用TO-220封装。

    许多情况下，MC3423都用于噪声复杂的环境，为防止假过压保护而影响负载的正常运行，可利用MC3423具有的可编程延迟功能，来在MC-3423的3脚和4脚接陶瓷电容到地，并通过电容充放电来检测是否由噪声引起的过压保护。如果电容未放电完，过压状态已消失，即认定是由于噪声引起的过压，此时电路不产生动作。

2 磁路设计

    高频电源变压器一般有功率传送、电压变换和绝缘隔离三个功能。功率传送有两种方式：第一种是变压器功率传送方式，即加在原边绕组的电压在磁芯中产生磁通变化，使副边绕组产生感应电压，从而使功率从原边传送到副边；第二种是电感器功率传送方式，也就是在原边绕组输入电能使磁芯激磁并转变为磁能储存起来，然后通过去磁使副边绕组感应电压，并变成电能释放给负载。高频变压器通过原边绕组和副边绕组匝数的不同，可实现原边和副边电压的隔离。

    设计变压器时，第一步是计算变压器初级电感峰值电流。假设δmax=0．25，输入的交流最低电压为180 V，那么Vin min=180x1.4-22=230 V，22V为输出电压纹波和整流器的压降。则变压器初级峰值电流：，因此，其开关管可选择MTP3N60场效应管，它的VDS=600V、ID=3．9 A、Pt=100W、VGS=20V；
    接下来第二步是确定最小占空比δmin，然后是计算变压器初级电感量，接着选择并确定磁芯及骨架尺寸，再计算空气隙Lg和变压器初级线圈的匝数L1，最后再计算各次级线圈的绕组。

3 整体电路设计

    该电路设计可分为四部分：输入电路、PWM控制电路、输出保护电路和直流输出电路，图5所示是整个开关电源电路的原理图。其中输入电路直接可将交流220 V／50 Hz整流滤波成为300 V直流电压，然后通过开关管MTP3N60将高频变压器初级300 V直流电压逆变成高频方波并由整流二极管1620和滤波电容再次整流滤波以输出DC+5 V和DC+12 V。其中PC817、TL431属于输出反馈回路，当输出过大时，TL431导通，光耦PC817也随之导通。从而控制UC3842第2脚的输入电压，而反馈输入电压则可改变UC3842第6脚输出的PWM信号占空比，从而控制次级输出平均直流电压以使之达到稳定。MC3423为过压保护电路，过压时，MC3423第8脚的输出电压将触发SCR2N6400导通，从而起到分流作用以保护负载。

4 测试

    测试时，先给UC3842外加16 V电源，以测试PWM系统是否起振，然后观测第4脚是否输出2．5V平均直流电压(为频率68 kHz±1O％的锯齿波)，之后，可将变压器初级输出引脚断开，测试300V直流电压。此时连接UC3842第7脚Vcc的电压应为16 V；接着测试变压器+5 V输出端是否有30 V／70 kHz左右的脉冲电压和+12 V输出端是否有46V／140 kHz左右的脉冲电压；再给输出端加+12 V可变直流电压，测试MC3423第8脚，调整直流电压略高于+12 V。再次测试MC3423第8脚的输出；然后再给输出端加+5 V可变直流电压，测试PC817各引脚电压，调整直流电压略高于+5 V，再次测试PC817各引脚电压；下来将整机电路连接完整，确认无误时可短时间加电，断开交流电源，检查集成电路、三极管、二极管是否由发热现象，电解电容是否有发热或突起现象，如有则须查明原因并更换元器件。

    该电路的测试结果为：当输出+5 V时，纹波为37 mV，输出+12 V时的纹波为66 mV，线性调整率为0．0085％／V，负载调整率为1．785％／A。加上负载后测试，其+5 V输出的最大电流为2．86 A，最高效率为95．3％；+12 V输出时的最大电流为2．81 A，最高效率为93％，设计通过。

5 结束语

    本文分电路和磁路两部分给出了一种基于MC3423的OVP反激式开关电源的设计方法。同时给出了整个开关电路的电路图和测试结果。根据测试结果证明，本设计可以满足设计要求。