维普资讯 http://www.cqvip.com 铸造技术 · ８７６· Ｖｏ１．２６ Ｎ０．１０ Ｏｃｔ．２００５ Ｆ（）ＵＮＤＲＹ ＴＥＣＨＮＯｌ ＯＧＹ 基于Ｕ０３８４２的开关电源输入过压保护电路研究 刘树林，钟久明，刘 健，韦 力 （西安科技大学电气与控制工程学院，西安７１００５４） 摘要：通常应用ＵＣ３８４２构成的开关电源不具备输入过压保护功能，使得这类电源产品不可避免地存在安全隐患。介绍一款 结构简单、成本低廉、新颖实用的输入过压保护电路，实例和实验结果表明了该保护电路的可行性。 关键词：ＵＣ３８４２；开关电源；输入过压保护电路 中圈分类号：ＴＧ２３２．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８３６５（２００５）１０—０８７６—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｐｕｔ Ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＣ３８４２ １ ＩＵ Ｓｈｕ—ｌｉｎ，ＺＨ（）Ｎ（ Ｊｉｕ—ｒｕｉｎｇ，１ ＩＵ Ｊｉａｎ．ＷＥＩ １．ｉ （Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ８．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｉｅｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ＵＣ３８４２ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｈａｖｅ ｎｏｔ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｏｖｅｒ—ｖｏｌｔａｇｅ．ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｄｄｅｎ ｔｒｏｕｂｌｅ ｉｎ ｓａｆｅｔｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｇａｉｎｓｔ ｉｎｐｕｔ ｏｖｅｒ—ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｉｎ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＣ３８４２；Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｉｅｓ；Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｇａｉｎｓｔ ｉｎｐｕｔ（）ｖｅｒ—ｖｏｌｔａｇｅ 在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为 使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工 作，必须设计多种保护电路，比如防止通电瞬间浪涌电 流的限流电路和输出电压过冲的软启动电路及过压、 欠压、过流、短路保护电路门等。随着电子技术的发 展，出现了多种类型的开关电源的控制芯片，在构成 ＤＣ／ＤＣ或ＡＣ／ＤＣ开关变换器时，ＵＣ３８４２是推出最 早的电流型控制芯片，仍是目前应用最广的ＰＷＭ集 成控制器【 ～ 。ＵＣ３８４２自身具有的电流检测比较 器，可实现输出过流和短路保护；其内部固有的输入欠 压锁定电路，也可方便地实现输入欠压保护；所以以 ＵＣ３８４２为核心构成的开关电源很容易就实现了输出 过流或短路保护，输入欠压保护ｒ２ ｌ。但在基于 ＵＣ３８４２的开关电源中，如何实现输入过压保护却还 未曾有过相关报道，实际上这类电源就不具备输入过 压保护，这样就使设备存在安全隐患。 输入过压对开关电源造成的危害，主要表现在器 件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损 坏，同时可能因电气性能指标被破坏而不能满足要求。 并应用于以ＵＣ３８４２为核心构成的、基于反激变换器 的开关电源中，实验结果验证了设计电路的可行性。 １ ＵＣ３８４２及其保护功能 １．１ Ｕ（：３８４２的特点 ＵＣ３８４２为电流控制型芯片，其内部功能框图和 封装如图１所示，芯片主要由５．０ Ｖ基准电压源、振荡 器、过流检测电压比较器、ＰＷＭ锁存器、高增益误差 放大器、输入欠压锁定电路（ＵＶＩ （））、推挽输出驱动电 路等构成。 因此，必须采用过压保护电路以提高电源的可靠性和 安全性。本文设计了一款新颖的输入过压保护电路， 收稿日期：２００５—０９—１８； 修订日期：２００５—０９—２５ 图１ ＵＣ３８４２内赤电路图及引脚图 Ｆｉｇ．１ ＵＣ３８４２ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ １．２ Ｕ（ ３８４２的保护功能 基金项目：西安市科技攻关项目（（ （ ０５Ｏ们） 作者简介：刘树林（１９６４一），四ＪＩＩ成都人，副教授，博士生．从事开关变 换技术和本质安全开关电源的研究． Ｅｎｔａｉｌ：ｓｌｌｉｕｌＯ０＠ＸＵＳｔ．ｅｄｕ．ｃｎ ＵＣ３８４２自身可实现两种保护，一是输入欠压保 护：主要是靠ＵＣ３８４２内部固有的欠压锁定电路实现， 当提供给ＵＣ３８４２的工作电压低于低位门槛电压时， 欠压锁定电路将封锁输出驱动脉冲信号，开关管关断； 维普资讯 http://www.cqvip.com 《铸造技术￣１０／２００５ 刘树林等：基于ＵＣ３８４２的开关电源输入过压保护电路研究 另一保护功能是峰值电流功能．可实现逐个脉冲 峰值电流。在某一周期开关管开通期间，输入到 端３的电压信号（正比于流经开关管的峰值电流）得到 １伏时，电流检测比较器输出高电平．输出驱动脉冲被 封锁，开关管关断，直到下一个开通周期到来。利用这 峰值电流可实现开关电源的输出过流或短路 保护。 但是，ＵＣ３８４２自身却不具备输入过压保护功能， 必须要另加保护电路才能实现开关电源输入过压保 护，这将增加电源的复杂程度和成本。因此，采用 ＵＣ３８４２制作的中小功率的开关电源，通常不具备输 入过压保护功能．这就使得这类电源产品不可避免地 存在安全隐患。 ２输入过压保护电路的设计 ２．１ 开关电压尖峰与输入过压保护电路 对开关电源而言，输入电压的范围是影响开关 管选择的主要因素。在开关电源正常工作时，开关 管承受的电压主要取决于两个因素：输入电压和开 关电源所用变换器的种类。通常中小功率电源多采 用单管正激或反激变换器。对正激变换器开关管的 电压至少应为输入电压的两倍，对反激变换器开关 管的耐压应大于输入电压与输出电压折算到原边的 电压之和。图２所示为一反激变换器的Ｍ（）Ｓ开关 管上的电压波形，其中ｕ。 为输入电压，ｕ。， 为输出反 馈回来的电压，而且在开关关断的瞬间还有一电压 尖峰。显然当输入电压在一很大的范围内变化时， 相应要求开关管必须要有很高的耐压，才能保证开 关电源正常工作，但当输入电压由于一些偶然因素 超出预计的范围时，就很难保证开关电源安全工作， 为此必须设计保护电路。 图２ ＭＯＳ开关管漏极上的电压波形 Ｆｉｇ．２ Ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｎ ｄｒａｉｎ ｏｆ ＭＯＳ ｓｗｉｔｃｈ 实际上设计输入过压保护电路除了可以确保在 比较高的输入电压下电源的安全外，还可以使开关 管的选择更合理，从而减小电源损耗，提高效率：因 为采用输入过压保护电路后．只要保证所选择开关 管在要求的电压范围内电源能正常工作即可，而不 必考虑电网的意外波动可能对开关管造成的损坏， 这样就可以选择耐压相对较低的开关管，而对ＭＯＳ 开关管而言，电压低意味着通态电阻小，电源的功耗 也就减小了。 ２．２输入过压保护电路的设计 输入过压保护电路原理如图３所示，Ｒ１、Ｒ２组成 取样电路。三端稳压基准（ＴＩ ４３１）ＩＣ１作为基准和误 差放大器。其工作原理为：当输入电压逐渐增加使分 压电阻Ｒ２上的电压大于２．５ Ｖ时，Ｕ１和ＶＴ１导通， ＵＣ３８４２的３端电压将大于１ Ｖ，其内部的电流检测比 较器输出高电平，输出驱动脉冲，开关管关断； 当输入电压在正常的工作电压范围内时，分压电阻Ｒ２ 上的电压小于２．５ Ｖ时，Ｕ１和ＶＴ１不导通，ＵＣ３８４２ 就处于正常的工作状态。 Ｌ Ｒ１ Ｉ盆ｌｌ ＶＲＥＦ Ｕ ｌ ’、 Ｒ６ ＿［＝＝ ＿Ｊｌ Ｉ ｎ． ｌ ｎ 图３输入过压保护电路 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｐｕｔ ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ 图４过压保护电路的回差电压 Ｆｉｇ．４ Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ 在保护电路动作后，为了防止由于输入电压的波 动而引起电源的振荡，在输入保护电路中引入了防止 振荡的电阻Ｒ６，这样在保护电路的动作电压ｕ． 和 终止电压ｕ 之间就引入了一回差电压△Ｕ ，它们之 间的关系如下（假设Ｒ。》Ｒ ，Ｒ 》Ｒ ）： △ＵｌＮ＝ＵｌＮＩ１一Ｕｌ Ｎｌ（１） Ｕ ·一ｚ．５ １＋ ）≈（揣） Ｕ ≈［１—２（Ｒ２／Ｒ６＋Ｒ２）］（２．５Ｒｌ／Ｒ２∥Ｒ６） （３） 根据以上各式，在正常工作的最高输入电压Ｕ 和回差电压△Ｕｌ 确定以后，就可确定其余各电阻之 值了。 该保护电路的特点是：使用ＴＬ４３１兼作基准和误 差放大，利用ＵＣ３８４２的内部固有的基准电压源为保 维普资讯 http://www.cqvip.com ＶｏＩ．２６ Ｎｏ．１Ｏ ８７８· ＦＯＵＮＩ）ＲＹ ＴＥＣＨＮＯ１ （）（；Ｙ Ｏｃｔ．２００５ 护电路提供电压，所以使保护电路结构简单、成本 低廉。 就等于输入整流电压，保证了在较高电压下开关管的 安全。 ３应用实例和实验结果 图５为采用芯片ＵＣ３８４２构成的基于反激变换器 开关稳压电源。其中Ｒ卜Ｒ６、ＩＣ１、ＶＴ１组成输入过压 保护电路．当输入电压超过设定值时．ＶＴ１导通将使３ 端的电压超过１伏，输出驱动脉冲，开关管关 断，使开关管承受的电压仅为输入电压．开关管得到保 护；流过开关管的电流在取样电阻ＲＳ上建立的直流 电压输入到ＵＣ３８４２的３端，可对开关管峰值电流进 行，从而实现输出过流或短路保护。 ｚ 本 ｔ．－ Ｉ专 ｌ （） Ｔ 图５ 具有输入过压保护的实用开父电源电路 Ｆｉｇ．５ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｉｎｐｕｔ ｏｖｅｒ—ｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ 电源主要技术指标为：输入交流电压范围为１７６ ２６４ Ｖ，输出为１５Ｖ／１Ａ，工作频率ｆ 一３０ ｋＨｚ。 电路中输入过压保护电路的相关元件的参数为： Ｒｌ一１ ＭＱ、Ｒ２—９．１ ｋＱ、Ｒ 一２．２ ｋＱ、Ｒ 一６２０ Ｑ、Ｒ １ ｋＱ、Ｒ６—１００ ｋＱ、Ｒ８＝＝＝１ ｋＱ、Ｒｓ一０．２２ Ｑ，ＶＴ 为 ￥９０１２、 Ｔ 为ＩＲＦＢＣ４０，控制芯片为ＵＣ３８４２，变压器 的输入和主输出绕组匝比为９：１。注意，Ｒ 选择必 须要保证当 Ｔ 导通时，在ＵＣ３８４２的３＃脚上的电 压大于１ Ｖ。 用数字存储示波器ＴＥＫ３０３２测得的实验波形如 图６所示。其中图６（ａ）中的Ｕ。 为临界保护点（即当 输入交流接近２７０ Ｖ时）时，开关管的漏一源电压波形。 可见，此时输入整流电压Ｕ． 一３２０ Ｖ，输出反馈回的 电压Ｕ 一１５０ Ｖ，开关管承受的最大电压约为５２０ Ｖ。 如果电压略为上升，保护电路动作、电源关断，开关管 的漏一源电压波形如图６（ｂ）所示，可见开关管并未完 全关断，但是导通的脉冲宽度很窄（约１ Ｓ，这主要是 由于保护电路动作后，芯片的基准电压不断的在 ０～５ Ｖ之间跳变引起的），所以开关上的电压基本上 当输入电压下降到２６０Ｖ时．保护电路退出保护。 与过压保护点２７０ Ｖ相比，回差电压ＡＵ— 一１０ Ｖ，由 于保护电路动作后，基准电压不断的在０～５ Ｖ之间跳 变，因此，回差电压实际上是由开关电源的关断，相当 于空载而使输入整流电压上升引起的。通过引入输入 过压保护电路．只需选用６００ Ｖ的开关管，就可确保电 源在很大的输入电压变化范围内安全工作。 Ｚ ０ ｆ， ＿．Ｆ ｆ，ｌ¨ 班 ＞ ０ ０ ２ｎｌ ｍ ／ｔ （ｂ）输入过压 图６输入过压保护后ＭＯＳ开关管漏极上的电压波形 Ｆｉｇ．６ Ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｖｅ［ｏｒｍ Ｏｎ ｄｒａｉｎ ｏｆ ＭＯＳ ｓｗｉｔｃｈ ４ 结论 利用芯片固有的基准电压源提供的电压和 ＴＩ ４３１可构成结构简单、成本低廉的输入过压保护电 路，并将其应用于基于反激变换的开关电源中。引入 输入过压保护电路，使得在设计开关电源时，可以选择 耐压相对较低的开关管，既确保安全、降低成本，又减 小了损耗。 参考文献 ［１］嵇维贵，冉峰，徐美华．智能功率开关电源Ｉｃ设计［Ｊ］． 半导体技术，２００４，２９（１）：６８—７２． Ｅ２３ 李庆武，赖振江．李长庚，等．采用新型脉宽调制器 ＵＣ３８４２的开关电源电路及其应用ＥＪ］．河南师范大学学 报（自然科学版）。Ｉ ９９９，２７（２）：３６—３９． Ｅ３３林成武，王凤翔．基于ＵＣ３８４２芯片的驱动电路设计ＥＪ３． 微处理机，Ｉ ９９９（４）：７—１ ２． １－４３惠恩宣．采用ＵＣ３８４２构成的开关电源，电子与自动化 ［Ｊ３．２０００（４）：４５—４６．
