一種直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的設(shè)計(jì)

付曉翠

安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽合肥，230011

開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效、節(jié)能型電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。單片開(kāi)關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、外圍電路簡(jiǎn)單、高性能指標(biāo)等特點(diǎn)，且能構(gòu)成高效率無(wú)工頻變壓器的隔離式開(kāi)關(guān)電源，現(xiàn)已成為開(kāi)發(fā)中、小功率開(kāi)關(guān)電源及開(kāi)關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路［1］。

本文利用TOP258YN芯片，采用反激方式設(shè)計(jì)了一種直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。所設(shè)計(jì)的電源具有高效節(jié)能、體積小且能夠輸出穩(wěn)定的電壓和電流等優(yōu)點(diǎn)。

1 反激式開(kāi)關(guān)電源原理

反激式開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］。工作原理：當(dāng)晶閘管VT導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)線圈產(chǎn)生電流Ip，將電能儲(chǔ)存在初級(jí)線圈中。此時(shí)，次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓極性是上端為負(fù)，下端為正，VD截止，沒(méi)有輸出電流。

圖1 反激式變換器

當(dāng)VT截止時(shí)，初級(jí)線圈電流中斷，產(chǎn)生感應(yīng)電壓Us，同時(shí)次級(jí)繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓（上端為正，下端為負(fù)），VD導(dǎo)通，產(chǎn)生二次繞組電流Ir；二極管VD整流，電容進(jìn)行C濾波之后獲得輸出電壓Uo。

2 基于TOP258YN開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

TOP258YN是美國(guó)PI公司生產(chǎn)的用于開(kāi)關(guān)電源集成芯片。利用該芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源，具有高效節(jié)能、低功耗、工作穩(wěn)定、便于控制等特點(diǎn)。此外，使用TOP258YN設(shè)計(jì)的電源，還具有系統(tǒng)的可靠性和自我保護(hù)的功能［3］。

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

本文所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由輸入整流濾波模塊、變壓器變換模塊、濾波輸出模塊、控制單元和顯示模塊等組成。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

（1）輸入整流模塊的主要功能：輸入220V市電，經(jīng)整流橋整流后，輸出310V直流電。

（2）變壓器變換電壓的主要功能是：把310V直流電輸送到高頻變壓器，由高頻變壓器變換電壓，此變壓器能把310V直流電降為19～20V的直流電，再經(jīng)濾波后輸出穩(wěn)定的電壓［4］。

（3）控制單元的主要功能：當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，由控制單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，穩(wěn)定輸出電壓。

（4）電壓電流顯示模塊的功能：顯示系統(tǒng)的輸出電壓與輸出電流。

2.2 輸入保護(hù)電路和濾波電路

系統(tǒng)的整流濾波電路如圖3所示。

圖3 整流濾波電路

2.2.1 保護(hù)電路

保護(hù)電路是由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器RT1和熔絲管F1構(gòu)成。RT1在電源通電時(shí)，起瞬間限流保護(hù)作用，主要用來(lái)保護(hù)高壓電解電容C9，防止其損壞。當(dāng)輸入電流過(guò)大時(shí)，流過(guò)熔絲管F1的大電流使其溫度過(guò)高而熔斷，電源因斷電而停止工作，從而保護(hù)電源不被燒壞［5］。

2.2.2 控制單元

控制部分電路如圖4所示。此模塊是開(kāi)關(guān)電源的核心，主要作用是控制和調(diào)整電源的輸出，使輸出電流與電壓穩(wěn)定在設(shè)定值［6］。

（1）二極管P6KE200、電容C、電阻R1、電阻R2和快恢復(fù)二極管FR106構(gòu)成鉗位保護(hù)電路。具體保護(hù)過(guò)程如下：對(duì)于反激式開(kāi)關(guān)電源而言，每當(dāng)開(kāi)關(guān)芯片TOP258YN由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時(shí)，變壓器的一次繞組會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓脈沖，很容易破壞開(kāi)關(guān)芯片。鉗位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，能夠很好地嵌位或吸收尖峰電壓，從而保護(hù)開(kāi)關(guān)芯片。

（2）當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，PCA817把電壓變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，然后傳送給TOP258YN的C引腳，進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制輸出電壓，使電壓達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

圖4 控制單元

2.3 輸出反饋

輸出反饋的功能是檢測(cè)輸出電壓的誤差，通過(guò)放大誤差，并把誤差電壓的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，然后送給開(kāi)關(guān)芯片進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，具體過(guò)程如下：電阻器Ra2和R19檢測(cè)輸出電壓，TL431提供基準(zhǔn)電壓，構(gòu)成外部誤差放大器。電壓波動(dòng)的檢測(cè)則是通過(guò)PCA817實(shí)現(xiàn)，當(dāng)輸出端電壓增大時(shí)，流過(guò)PCA817的電流減小，使得流入TOP的C引腳電流減小，從而TOP258YN占空比變大。反之，當(dāng)輸出的電壓增大時(shí)，變化過(guò)程則與上述過(guò)程相反。輸出反饋部分的電路如圖5所示。

圖5 輸出反饋

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

開(kāi)關(guān)電源處于正常工作狀態(tài)時(shí)，測(cè)試其性能，調(diào)節(jié)輸入電壓，電壓范圍86～240V，如表1所示。在滿(mǎn)負(fù)載的情況下，將輸入電壓從最小值86V到240 V，記錄下輸出電壓變化的情況，如表2所示。

表1 輸入電壓與輸出電壓關(guān)系

表2 較大負(fù)載時(shí)輸出電壓負(fù)載關(guān)系

3.2 分析

通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得到非常精確的輸出電壓，其電壓值范圍為19.00±0.1V。本文所設(shè)計(jì)的電源工作處于輕載狀態(tài)時(shí)，工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，電壓波動(dòng)小、電壓調(diào)整率極佳。當(dāng)滿(mǎn)負(fù)載工作時(shí)，變壓器、TOP258YN等各器件都能正常工作，而且電壓輸出依然保持正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用TOP258YN開(kāi)關(guān)電源芯片實(shí)現(xiàn)了直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的穩(wěn)壓輸出，輸出最大功率是38 W，能夠滿(mǎn)足38W及以下的功率需求，工作穩(wěn)定可靠，低噪聲，電壓波動(dòng)范圍小，適用于各種穩(wěn)壓供電的場(chǎng)合。

［1］牛力.多路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：陜西科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，2012：10－25

［2］馬若飛.改進(jìn)的五維數(shù)據(jù)場(chǎng)算法和反激式開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化［D］.南昌：南昌航空大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院，2012：10－25

［3］李探元，羅純哲.基于SG6859的反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］.通信電源技術(shù)，2012（1）：58－59

［4］楊紅梅，張偉，趙建泉.基于UC1842的高可靠低紋波多路輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］.通信電源技術(shù)，2012（2）：224－226

［5］岳鵬，田聯(lián)房.數(shù)字控制全橋軟開(kāi)關(guān)電源的Saber仿真分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（2）：110－115

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