恒流激勵型開關(guān)電源

黃鵑飛，王 琦

（江西信息應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330043）

恒流激勵型開關(guān)電源

黃鵑飛，王 琦

（江西信息應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330043）

該開關(guān)電源是采用自激式恒流電路來驅(qū)動、運行可靠、使用方便、安全系數(shù)高。和常規(guī)型自激振蕩的區(qū)別在于電壓調(diào)節(jié)不使用分流調(diào)整管，因此大大提高了開關(guān)電源的調(diào)節(jié)范圍，并且輸出電壓基本不受輸入電壓的波動而波動。常規(guī)型自激振蕩的開關(guān)電源輸入電壓必須保持在170~240V之間，如果電壓過低或過高都可能造成電源故障，甚至燒壞開關(guān)管。而采用恒流激勵型的開關(guān)電源輸入電壓只需維持在80~300V之間都能讓開關(guān)電源輸出正常。

開關(guān)電源；恒流激勵；自激振蕩；開關(guān)管

在上個世紀(jì)中期，由于晶體管的大規(guī)模使用第一代非線性開關(guān)電源的出現(xiàn)，使得直流線性穩(wěn)壓電源（參數(shù)穩(wěn)壓電源和反饋穩(wěn)壓電源）和利用晶閘管穩(wěn)壓的相控電源逐漸退出歷史舞臺，在這半個多世紀(jì)以來，電子技術(shù)的飛速發(fā)展使得開關(guān)電源技術(shù)有了本質(zhì)的改善，經(jīng)歷了三個重要的發(fā)展階段：①大功率半導(dǎo)體元件；②高頻半導(dǎo)體元件；③軟開關(guān)技術(shù)。這三個階段先使得大功率開關(guān)管從雙極性器件發(fā)展到MOS型器件，使得開關(guān)管不但具有輸出功率大并具有開關(guān)速度開的特點，這使得開關(guān)電源能實現(xiàn)高頻化邁出了重要一步。利用MOS型開關(guān)管不但可以降低開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗，也能使得電源變壓器體積更小大大降低了使用成本。再通過軟開關(guān)技術(shù)和集成電子模塊的出現(xiàn)使得功率變換器性能更好，安全性更高，尺寸更小，成本更低。

1 開關(guān)電源基本工作原理

隨著功率開關(guān)晶體管的出現(xiàn)，開關(guān)電源開始取代線性穩(wěn)壓電源。把線性調(diào)整狀態(tài)變?yōu)榉蔷€性調(diào)整狀態(tài)，通過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)從而改變功率開關(guān)管的占空比來實現(xiàn)調(diào)整和穩(wěn)定輸出電壓的目的。

（1）第一代常規(guī)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的組成一般包括：交流輸入整流濾波電路、直流變換電路、占空比控制電路、電源輸出電路和保護電路組成。

（2）開關(guān)電源特點：①重量輕：相對于線性穩(wěn)壓電源而言開關(guān)電源使用的電源變壓器大大減少，使得硅鋼片和漆包線的使用也減少很多。所以一般同功率的開關(guān)電源重量只有直流線性電源的20%，變壓器體積也大大縮小。②效率高：開關(guān)電源的功率開關(guān)管受到脈沖信號的作用下，使得其工作在飽和導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)之間切換。因為功率開關(guān)管在飽和和截止時的導(dǎo)通損耗最少。這就大大減少了直流線性穩(wěn)壓電源直流損耗嚴(yán)重的問題。一般的開關(guān)電源效率大多都在80%左右，高速開關(guān)電源可以在90%左右，甚至有些高頻開關(guān)電源加入了有源功率因數(shù)校正電路以后可以達到99%以上。③功耗?。河捎陂_關(guān)穩(wěn)壓電源使用的變壓器數(shù)目較少并且功率開關(guān)管的開關(guān)速度非?？欤话汩_關(guān)頻率都在10kHz以上。這不僅使得電路中的濾波元件的參數(shù)能大范圍減小，降低無功功率；而且由于功率開關(guān)管工作在放大區(qū)的時間非常少，使得晶體管直流損耗非常低發(fā)熱情況大大改善。④穩(wěn)壓范圍寬：在直流線性穩(wěn)壓電源中對輸入電壓的要求比較嚴(yán)格，必須保證輸入電壓能使調(diào)整管工作在放大區(qū)，也就意味著輸入電壓必須是一個幅值變化在很小范圍內(nèi)的一個近似直流電。而一般的開關(guān)電源具有比較強大的穩(wěn)壓和調(diào)壓能力因此對輸入電壓的要求并不太嚴(yán)格，一般交流輸入電壓在150～260V之間都能正常工作。甚至在本文討論的恒流激勵型開關(guān)電源對輸入的電壓適應(yīng)范圍更寬可以達到100～300V左右變化，都能使輸出電壓穩(wěn)定。⑤安全可靠：在開關(guān)電源電路中加入了各種各樣的保護電路，所以當(dāng)電源電路出現(xiàn)故障時都能比較好的進行斷電保護，從而保證其功能的可靠。并且由于開關(guān)電源晶體管發(fā)熱情況較低，電路中不需加入大面積的散熱器，元件不容易因為長期工作在高溫環(huán)境中而出現(xiàn)故障損壞，也能使開關(guān)電源的整機穩(wěn)定性和可靠性大大提高。

（3）自激型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理。如圖1，所示輸入電壓Ui為一近似直流電壓經(jīng)開關(guān)器件S送至輸出端。其中V是一個受脈沖信號控制的開關(guān)管。若使開關(guān)S按一定要求改變其導(dǎo)通或關(guān)斷時間，就能使輸出電壓由一個近似直流信號變成一個矩形脈沖電壓。把這個矩形 脈沖電壓通過一次濾波電路進行平滑就可以得到一個穩(wěn)定的直流電壓Uo。

圖1 開關(guān)電源工作原理

并且Uo＝Ui×δ公式中δ為占空比。開關(guān)電源一般是利用反饋信號來控制晶體功率管的導(dǎo)通與截止時間，也就是“時間控制法”。

常規(guī)型開關(guān)電源是通過在功率開關(guān)晶體管的基極加入RC振蕩回路。通過電容的充放電來改變基極電位使開關(guān)管產(chǎn)生自激振蕩。同時又加入一個分流調(diào)整管，通過采樣電路對輸出電壓進行采樣，把這個采樣電壓通過分流調(diào)整管反饋回開關(guān)管，并影響開關(guān)管基極電流，通過改變開關(guān)管基極電流的大小來改變占空比，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。但是由于振蕩電路中的電壓是直接由變壓器感應(yīng)而來，也就是說這個電壓直接受到輸入電壓的大小而影響，這樣的電路設(shè)計決定了該電路對輸入電壓的范圍有了較大的要求，使得穩(wěn)壓范圍相對變

窄。

2 恒流激勵型開關(guān)電源

圖2 系統(tǒng)基本框圖

（1）電路組成。系統(tǒng)基本方案如圖2所示。管基極電位，使得開關(guān)管產(chǎn)生自激振蕩。④恒流激勵電路。C2、C3、R4、R5、R6、R7、T1、D1 構(gòu)成恒流激勵電路。其中 C2 為電解電容，容量較大，一般為幾百微法到一千微法。通過變壓器的電感效應(yīng)把主電流回路中的電能對C2進行充電。因為C2容量較大，可以把該電容看成一個恒壓源對開關(guān)管供電。

（2）基本原理。該電路中的開關(guān)管主要是通過電容C2來提供基極電壓。由于電容中的電壓是不能突變的，而且該電容又足夠大，使得開關(guān)管的基極電位相對穩(wěn)定。當(dāng)T1導(dǎo)通時，電阻R6電壓應(yīng)該為 Uc1-Uce1-Ube2=(Uc-1)V通過該等式發(fā)現(xiàn)電阻R6上的電壓是穩(wěn)定的，也就意味著流過VT1的電流是穩(wěn)定的，那么VT2的基極電流也是穩(wěn)定的。那么我們不難發(fā)現(xiàn)VT2的基極電流時由電容C2上的充電電壓決定而與輸入電壓無關(guān)。

①主電流回路。輸入電壓Ui、R1、變壓器初級繞組，開關(guān)管T2構(gòu)成開關(guān)電源主電流回路。開關(guān)管對輸入電壓Ui進行DC/DC變換，并通過變壓器把電能傳遞給負(fù)載。②啟動電路。R1、R2構(gòu)成啟動電路。啟動電路的作用是為開關(guān)管提供啟動電壓，將開關(guān)管打開。T2的基極電流 Ib=Ui/R1+R2。③自激振蕩的正反饋電路。為了提高變壓器功率加入正反饋電路，并且加入R3、C1形成RC振蕩電路，通過電容C的充放電而改變開關(guān)

3 結(jié)語

恒流激勵型開關(guān)電源克服了常規(guī)型開關(guān)電源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍窄的缺點，輸出電壓受輸入電壓Ui的影響很少。開關(guān)管的基極電流大小主要是由電容的容量和充電電壓決定。這也使得該電路對輸入電壓的要求不是很嚴(yán)格，輸入電壓在70～300V之間都能保證輸出電壓穩(wěn)定。

黃鵑飛（1976-），男，講師，主要研究方向：電子技術(shù)工程。