一種高精度的自激式多路輸出穩(wěn)壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

張 偉，曾 成，張 靜

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401 ；2.中北大學(xué)，山西 太原 030051）

0 引 言

開關(guān)電源是一種利用開關(guān)功率器件并通過功率變換技術(shù)而制成的直流穩(wěn)壓電源。它具有體積小、重量輕、效率高、對(duì)電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。開關(guān)電源又被稱為高效節(jié)能電源，內(nèi)部電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，自身消耗的能量很低，一般電源效率可達(dá)80 %以上，比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍。開關(guān)電源的主電路拓?fù)溆泻芏喾N，從DC／DC 變換輸入與輸出間有無變壓器隔離，開關(guān)電源分為有變壓器隔離和無變壓器隔離，每類又有幾種拓?fù)?，即Buck（降壓型）、Boost （升壓型）、Buck－Boost （升壓－降壓型）、Cuk（串聯(lián)式）及Sepic （并聯(lián)式）等；按激勵(lì)方式分，有自激式和它激式；按控制種類包括PWF（調(diào)頻式）、PWM（調(diào)寬式）、PAM（調(diào)幅式）和RSM（諧振式）4 種；按能量傳遞方式有連續(xù)模式和不連續(xù)模式。用的最多的是調(diào)寬式變換器。調(diào)寬式變換器有以下幾種：正激式 （Forward ）、反 激 式 （Feedback ）、半 橋 式 （Half Bridge Mode ）、全橋式（Full Bridge Mode ）及推挽式（Push Draw Mode ）等。若按開關(guān)管的開關(guān)條件可分為硬開關(guān) （Hardswitching）和軟開關(guān) （Softswitching）兩種。根據(jù)對(duì)開關(guān)電源的各種拓?fù)浜涂刂品绞降募夹g(shù)要求，工程實(shí)際的實(shí)現(xiàn)難易，電器性能及成本等指標(biāo)的總結(jié)，本文選用有變壓器隔離的自激型反激式拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)這款多路輸出高精度的開關(guān)電源。

1 開關(guān)電源的原理

多路輸出高精度的開關(guān)電源原理如圖1 所示。

圖1 開關(guān)電源原理圖

一般開關(guān)電源由圖1 中所示四部分組成。輸入電路主要由防雷、濾波、浪涌電流抑制、整流電路等構(gòu)成。作用是把輸入電網(wǎng)交流電源轉(zhuǎn)化為符合電源輸入要求的直流電源。變換電路含開關(guān)電路、變壓器及RCD 吸收電路等，是開關(guān)電源能量變換的主通道?？刂齐娐泛与娐罚菊撐牟捎么笞柚惦娮璺謮喝?，含基準(zhǔn)電源，此處用TL431 產(chǎn)生2.5V 基準(zhǔn)電源。此外還有誤差放大及脈沖驅(qū)動(dòng)電路，取樣的誤差信號(hào)經(jīng)光耦線性放大誤差信號(hào)同時(shí)反饋產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的矩形脈沖，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。輸出電路包含整流、濾波，把輸出電壓整流成脈動(dòng)直流，并平滑成低紋波直流電壓。本論文實(shí)現(xiàn)的電源，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，體積小，效率高，紋波小及適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

2 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多路輸出高精度的開關(guān)電源的主要設(shè)計(jì)要求如下：

輸入電壓：AC132 V～264 V

圖2 自激式多路輸出穩(wěn)壓開關(guān)電源原理圖

輸入頻率：50／60 Hz

輸出四路電壓：U124 V／0.5 A、U2－9 V／0.8 A、U39 V／0.8 A、U45 V／3 A

輸出功率：40 W紋波電壓：≤100 mV負(fù)載調(diào)整率：≤3 %。

2.1 設(shè)計(jì)原理

圖2 是自激式多路輸出穩(wěn)壓開關(guān)電源的原理圖。圖中 X1＿C1、X1＿C2、Y＿C1、Y＿C1及 L 組成 EMI 電路，用來濾除電網(wǎng)中的共模差模信號(hào)，同時(shí)避免開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)造成污染。L 為共模扼流圈，共模扼流圈是開關(guān)電源、變頻器、UPS 電源等設(shè)備中的一個(gè)重要部分。當(dāng)工作電流流過兩個(gè)繞向相反的線圈時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)相互抵消的磁場(chǎng)，如果有共模干擾信號(hào)流過線圈時(shí)，線圈對(duì)共模信號(hào)即呈現(xiàn)出高阻抗，產(chǎn)生很強(qiáng)的阻尼效果，達(dá)到衰減干擾信號(hào)作用。X1＿C1、X1＿C2、Y＿C1及Y＿C2為安規(guī)電容，其中 X1＿C1與 X1＿C2為 X 安規(guī)電容，Y＿C1和Y＿C2為Y 安規(guī)電容，它們用在電源濾波器里，與L 起到電源濾波作用，分別對(duì)共模，差模工擾起濾波作用。安規(guī)電容的特性是電容器失效后，不會(huì)導(dǎo)致電擊穿，不危及人身安全。RV為壓敏電阻，具有防雷作用，也可用TVS（瞬態(tài)電壓抑制器），由于壓敏電阻具有良好的非線性特性、通電流大、殘壓水平低、動(dòng)作快和無續(xù)流等特點(diǎn)，被廣泛用于電子設(shè)備防雷。開關(guān)電源系統(tǒng)壓敏電阻相當(dāng)于D 級(jí)防雷器，對(duì)于220 V線路，壓敏電阻的選取為，220×1.4×1.4＝430 V，所以壓敏電阻選型為470 V。RT 為熱敏電阻，開機(jī)時(shí)，220 V交流電經(jīng)過整流后對(duì)大電容充電，而電容的特性是瞬間充電電流為最大，從而對(duì)前邊的橋和保險(xiǎn)絲帶來沖擊，容易造成器件上電時(shí)損壞，為了提高電源設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，常在保險(xiǎn)之后加入電阻進(jìn)行限流，電阻越大時(shí)，雖然限流效果好，但是電阻消耗的電能也是很大的，開關(guān)電源啟動(dòng)后，限流電阻已沒有作用，反而浪費(fèi)電力。為了達(dá)到較好限流效果而又省電，現(xiàn)在的開關(guān)電源經(jīng)常采用負(fù)溫度熱敏電阻作限流使用，吸收浪涌電流。負(fù)溫度熱敏電阻的特性是，溫度越高，電阻越小。為了減小電源體積及復(fù)雜度，此處避免了使用繼電器等組成的防浪涌電路，經(jīng)過試驗(yàn)，達(dá)到了非常好的效果。變壓器 T，RCD（R2，C1，D1）吸收電路及開關(guān)管構(gòu)成了此電源的能量轉(zhuǎn)換電路，本電路采用單端反激，是一種比較成熟的電源變換電路，變壓器既作為隔離器件，又作為儲(chǔ)能器件。此變壓器采用EI 骨架，初級(jí)線圈電感量在1.2 ～1.3 mH 之間，在繞制變壓器時(shí)，自激繞組要靠外圈，初級(jí)繞組分兩組疊加，一組在內(nèi)，一組在外，可防止磁通飽和影響電源效率。此變壓器屬于常規(guī)變壓器，不再多述，開關(guān)管的選取要注意漏源級(jí)的耐壓，最大工作電流，導(dǎo)通電阻，耗散功率及一些開關(guān)時(shí)間等。RCD 吸收電路的功能是吸收因變壓器初級(jí)繞組在工作時(shí)產(chǎn)生的自感電勢(shì)，避免在開關(guān)管集電極截止瞬間出現(xiàn)過高的反峰高電壓損壞開關(guān)管而設(shè)的。開關(guān)管工作時(shí)一直處于導(dǎo)通與截止，循環(huán)工作，所以吸收回路一直是有電流通過的，這個(gè)電流的大小隨開關(guān)電源的功率大小而不同，使得吸收回路的元器件取值也不一樣，RCD 吸收電路中的R 值如過小，就會(huì)降低開關(guān)電源的效率。然而，如R 值過大，MOS 管就存在著被擊穿的危險(xiǎn)。本電路選用10 kΩ／2 W，電容選用0.01 μF／1 kV，D1選用耐壓1 kV的 HER107 。輸出電路主要包含整流濾波，三端穩(wěn)壓器及假電阻等。選用合適的濾波電容及假電阻可減小電源輸出紋波和提高電源效率。

圖2 中光耦器件PC817，TL431 及框中自激電路組成了本電源的控制電路。R16、R17是取樣電阻，TL431 為可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，通過改變電阻R16和R17的分壓值，可小范圍改變輸出電壓值。R15和C20為TL431 的頻率補(bǔ)償電路，可以提高TL43l 的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。關(guān)于反饋回路的設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是確定R13、R14的阻值及選定合適的光耦合器件，首先要選定線性度好的光耦合器件，因?yàn)檫@樣可以把輸出線性的反應(yīng)到自激電路，可以由自激電路產(chǎn)生線性變化的脈沖，從而線性的反比例控制開關(guān)管的截止與導(dǎo)通。而目前國(guó)內(nèi)常用的4N25 系列光耦屬于非線性光耦合器，不宜采用。其次要注意光耦合器件的CTR（電流傳輸比）值。使用光電耦合器主要是為了提供隔離，同時(shí)又能將輸出的變化線性的反應(yīng)在自激控制電路中，容易線性的控制開關(guān)管的占空比。光耦合器的CTR 的允許范圍是50 %～200 %，這是因?yàn)楫?dāng)CTR＜50 %時(shí)，光耦中的輸入級(jí)就需要較大的工作電流，這會(huì)增大光耦的功耗。若CTR＞200 %，在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，有可能影響正常輸出。PC817 的CTR 線性范圍為80 %～160 %，能夠較好地滿足反饋回路的設(shè)計(jì)要求。確定好光耦后，就要確定R13、R14，需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證TL431 工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。R13為PC817的外部限流電阻。實(shí)際上除了限流保護(hù)作用外，它對(duì)控制回路的增益也具有重要影響。當(dāng)R13改變時(shí)，會(huì)影響到光耦的輸入電流，然后影響光耦的輸出電流，進(jìn)而影響開關(guān)管的占空比，也就相當(dāng)于改變了控制回路的電流放大倍數(shù)。此電路中R13取100 Ω，在光耦輸入端和R13上并聯(lián)R14是為了在光耦輸入電流接近于0時(shí)，為了保證TL431 陰極不低于1 mA的工作電流而設(shè)置的。

2.2 電源反饋電路原理

圖2 中方框圖是自激電路，是本論文的核心，是電源的脈沖生成及控制部分。三極管工作于開關(guān)狀態(tài)，開通與截止的時(shí)間受PC817 輸出端電流和取樣電阻R7的影響。用示波器可觀察到圖2 方框圖中穩(wěn)壓管，三極管，取樣電阻都工作于矩形脈沖下。下面簡(jiǎn)要分析一下反饋回路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的工作過程。當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí)，通過取樣電阻 R16、R17分壓后，就使TL431 上的光耦輸入電流If產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而使PC817 中輸出電流Ic改變，Ic的改變使三極管基極的電流Ib改變，進(jìn)而改變了基極電壓Ub，改變了三極管的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變了開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，即占空比D，使Uo產(chǎn)生了相反的變化，以保持Uo的穩(wěn)定。上述穩(wěn)壓過程可歸納為：Uo↑→If↑→Ic↑→Ib↑→Ub↑→D↓→Uo↓。如此一個(gè)循環(huán)后Uo下降，使電源達(dá)到穩(wěn)定。

開關(guān)管電壓波形如圖3 。

圖3 開關(guān)管波形圖

圖3 是輸入AC220 V，輸出空載、半載及全載時(shí)，開關(guān)管漏極和源級(jí)兩點(diǎn)的輸出波形圖，示波器為10 倍衰減，圖形顯示縱坐標(biāo)為5 V／div，橫坐標(biāo)為2 μs／div?？梢婇_關(guān)頻率隨負(fù)載的大小而反比例變化。

3 結(jié)束語

根據(jù)上述原理，進(jìn)行了電源設(shè)計(jì)并制作了樣機(jī)，調(diào)試后性能穩(wěn)定。如圖3 是電源輸入AC220 V，開關(guān)管漏源級(jí)在電源空載、半載及全載時(shí)的波形。表1 是在空載、半載及全載時(shí)所測(cè)的四路輸出電壓值。

表1 四路輸出實(shí)測(cè)結(jié)果

此電源電路簡(jiǎn)單，自激電路設(shè)計(jì)新穎，所用元件少，效率達(dá)到82 %以上，紋波電壓90 mV，因此完全符合設(shè)計(jì)要求。此外開關(guān)管占空比與輸入交流電壓成正比，與頻率成反比。當(dāng)電壓從低調(diào)到AC220 V 時(shí)，從示波器看開關(guān)管漏源極波形會(huì)發(fā)現(xiàn)開關(guān)頻率從不到100 kHz 上升至電源空載時(shí)圖3 中a圖所示的電源空載頻率300 kHz 。當(dāng)電源工作于設(shè)計(jì)要求的電壓時(shí)，負(fù)載不隨輸入電壓變化，再?gòu)氖静ㄆ骺撮_關(guān)管漏源極波形時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，輸入電壓不變的時(shí)候，開關(guān)管的工作頻率與負(fù)載大小成反比。因而此電源能夠適應(yīng)輸入與輸出寬范圍變化的工作環(huán)境。由于此電源工作于幾百千赫茲的頻率，效率比較高，所以要求開關(guān)管用高頻率開關(guān)管。此電源還可稍做修改，將TL431 改為TLV431 ，再把R16、R17換個(gè)阻值，其它無須更改即可將輸出5 V／3 A改為3.3 V／4 A 輸出，也可將±9 V變壓器繞組增加2 圈或4 圈，分別將三端穩(wěn)壓器改為7812 與7912 、7815 與7915 ，這樣可輸出±12 V，±15 V的電壓，此時(shí)電流不超0.6 A。此電源應(yīng)用范圍廣，輸出電壓精度卻不低。

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