通用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

王海英

海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,海南 儋州 271737

開關(guān)電源我們可認(rèn)為是由功率級(jí)和控制電路所組成，功率級(jí)是功率變換的主體，主要通過開關(guān)器件、電感、電容等器件來(lái)實(shí)現(xiàn)功率變換的。開關(guān)電源的主體是開關(guān)型DC-DC變換器，它是開關(guān)電源整個(gè)變換核心。非隔離式和隔離式為DC-DC變換器的兩種基本拓?fù)?。在非隔離式變換器中，輸入到輸出之間是沒有電氣隔離的，非隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式主要有:Buck,Boost ,Buck-Boost, Cuk'等。

首先介紹開關(guān)電源的控制方法:

根據(jù)DC-DC變換器工作方式，DC-DC變換器可分為下面幾種:PWM變換器、諧振變換器、軟開關(guān)PWM變換器等。

1 脈寬調(diào)制技術(shù)

脈寬調(diào)制PWM技術(shù)由于其電路簡(jiǎn)單、控制也相對(duì)方便而得到廣泛的應(yīng)用。目前，應(yīng)用PWM技術(shù)的變換器的運(yùn)行最佳頻率范圍為30kHz～50kHz（使用MOSFET做開關(guān)管），在該范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)不論體積、重量、可靠性或是價(jià)格都基本上實(shí)現(xiàn)了最佳。但是，常規(guī)的PWM技術(shù)的固有缺陷也在一定程度上限制了其高頻化，這樣人們另想辦法，圍繞著減小開關(guān)的損耗，消除或緩解其電路中寄生參數(shù)所造成的影響提出了諧振變換技術(shù)。

2 諧振變換技術(shù)

諧振變換技術(shù)可以描述為開關(guān)器件在零壓或零電流條件下可進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。這樣可以在一定程度上降低了開關(guān)損耗。諧振變換電路主要由串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振、準(zhǔn)諧振、E類諧振和多諧振等。這類變換器主要利用諧振原理使開關(guān)管的兩端電壓或流過開關(guān)管的電流能夠在一個(gè)周期內(nèi)在某一時(shí)間段呈正弦規(guī)律變換，電壓和電流的波形會(huì)錯(cuò)開，這樣可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）或零電流開關(guān)（ZCS）條件，使得開關(guān)管自然得到導(dǎo)通或關(guān)斷。零電流開關(guān)的特點(diǎn):能保證運(yùn)行中的開關(guān)器件在關(guān)斷信號(hào)來(lái)到之前，流經(jīng)開關(guān)管的電流就已經(jīng)下降為零，這樣就保證了器件在零電流的條件下能斷開;零電壓開關(guān)的特點(diǎn)是能夠保證運(yùn)行中的器件在開通信號(hào)來(lái)到之前，開關(guān)管的端電壓就已經(jīng)下降為零了，從而能使開關(guān)管在零電壓下導(dǎo)通。諧振式變換器有這樣的缺點(diǎn):1）功率電路拓?fù)漭^復(fù)雜，在不同負(fù)載條件下，存在不同工作模式；2）QRC, MRC都是變頻控制，所以控制電路較復(fù)雜；3）諧振波形使開關(guān)管電壓或其電流應(yīng)力比PWM變換器還要大得多。針對(duì)以上局限性，人們提出了其他的軟開關(guān)技術(shù)。

3 軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)變換器為QRC和PWM開關(guān)變換器組合在一起的綜合:在QRC變換器中若增加一個(gè)輔助開關(guān)，以控制諧振為網(wǎng)絡(luò)工作，使變換器在整個(gè)周期內(nèi)，一部分時(shí)間是按ZVS或ZCS準(zhǔn)諧振變換器來(lái)工作，另一部分時(shí)間則按PVYM變換器來(lái)工作。因此它兼具有諧振變換技術(shù)或PWM變換技術(shù)共有的特點(diǎn).

下面再來(lái)介紹控制電路:

控制電路我們采用ON Semiconductor（安森美）公司所生產(chǎn)的NCP1200芯片。NCP1200是種新型的高頻開關(guān)電源芯片，它將開關(guān)電源中最為重要的兩個(gè)部分即PWM控制集成電路和功率開關(guān)管MOSFET電路集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成PWM/MOSFET二合為一的集成芯片，能使外部電路得到簡(jiǎn)化，讓工作頻率可達(dá)100kHz，交流輸入電壓為100V～250V，AC/DC轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90%。對(duì)70W 以下開關(guān)電源，主功率器件采用NCP1200，與其他電路相比，重量輕、體積小、自我保護(hù)的又功能齊全，從而降低了開關(guān)電源在設(shè)計(jì)過程中的復(fù)雜性。特別適合于中小功率AC-DC電源、各類充電適配器、DVD電壓等的設(shè)計(jì)。

4 EMI濾波器

EMI信號(hào)濾波器是可以濾除導(dǎo)線上各種工作時(shí)不需要的高頻干擾成份，其可用在各種信號(hào)線（包括直流電源線）上當(dāng)?shù)屯V波器。最有效的接收和輻射天線是線路板上的導(dǎo)線，由于導(dǎo)線存在，這樣會(huì)使線路板產(chǎn)生強(qiáng)電磁輻射。與此，這些導(dǎo)線還能接收外部來(lái)的電磁干擾，使電路相對(duì)干擾很是敏感。解決高頻電磁的干擾輻射和接收最有效的辦法是在導(dǎo)線上使用信號(hào)濾波器， 如不用信號(hào)濾波器時(shí)，脈沖信號(hào)的高頻成份就很豐富，這些高頻成份還可借助導(dǎo)線輻射，這樣線路板的輻射就會(huì)超標(biāo)。所以使用了濾波器以后，脈沖信號(hào)的高頻成份就會(huì)消弱很多，正因?yàn)楦哳l信號(hào)的輻射效率非常高，隨著高頻成份的減少，線路板的輻射會(huì)改善很多。按安裝方式和外形信號(hào)濾波器可分為:貫通濾波器、有線路板安裝濾波器、連接器濾波器等。通常使用線路板安裝濾波器較多，其具有經(jīng)濟(jì)性高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

5 TL431反饋電路

反饋的概念，是指將放大電路的輸出量（電壓或電流信號(hào)）一部分或全部，通過一定的方式（元件或網(wǎng)絡(luò)）輸送到輸入回路，完成輸出量與輸入端回送的電路就稱為反饋元件或反饋支路，具有反饋回路的放大電路即稱反饋放大電路。

隨著電子技術(shù)的不斷高速發(fā)展,電源技術(shù)也跟著不斷完善和提高。像自激型的開關(guān)穩(wěn)壓電源,在過去其輸出的功率只能達(dá)到大概50W,而現(xiàn)在可以達(dá)到100W以上。這些變化是源于電路技術(shù)的進(jìn)一步成熟和采用新型元器件的結(jié)果。

最后設(shè)計(jì)開關(guān)電源整體系統(tǒng)圖:

電路如圖所示:電源適配器由NCP1200構(gòu)成6.5V、0.6A，它可為隨身聽、電動(dòng)玩具或一般家電提供電源。該適配器對(duì)全部85～265V的交流電源均適用。交流電壓經(jīng)過橋式整流器（BR）、電磁干擾濾波器（L1、L2、R4、R5）和濾波電容（C1、C2），得到直流高壓U1，分別連到NCP1200的HV端、高頻變壓器初級(jí)的一端。在剛獲得電源時(shí)能降低輸入濾波電容上的沖擊電流。吸收電路由R6、C5、VD1組成的鉗位電路和R7和C6構(gòu)成，可吸收尖峰電壓，這樣就可降低電磁干擾。外部功率開關(guān)管是采用MTDIN60E型M0SFET管，最大漏極電流為IDM=1A，漏源擊穿電壓為U（BR）DS=600V，管子最大功耗為PDM=1.75W。輸出整流濾波器是由VD2、C3、C4組成。光耦反饋電路是由限流電阻R1、光耦合器IC2（PC817A）和5.1V穩(wěn)壓管（1N5993B）組成的。輸出電壓是這3個(gè)元器件上的電壓降之和。因IC2中LED的正向壓降ULED≈1V，工作電流ILED設(shè)定為0.85mA， Rl=220Ω，故Uo=URl+UrrD+UDZ=(0.85×10-3×220)+1+5.1≈ 6.5V。 高 頻變壓器采用E16型磁芯，初級(jí)繞組的電感量Lp=2.9mH，漏感Lpo=80us，匝數(shù)比 n=Np/Ns=12.5。

開關(guān)電源整體電路原理圖

電源技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)是開關(guān)電源高頻化，高頻化帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是使開關(guān)電源裝置空前微型化，并使開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，特別是應(yīng)用在高新技術(shù)領(lǐng)域，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的微型化、輕便化。另外開關(guān)電源在節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面的發(fā)展與應(yīng)用更具有深遠(yuǎn)意義。

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