淺談開關(guān)穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

摘要：穩(wěn)壓直流電源是電子產(chǎn)品中普遍使用的電源設(shè)備，尤其是開關(guān)型穩(wěn)壓電源，更是以其價(jià)格低、性能好等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。但開關(guān)穩(wěn)壓電源的性能主要還是由設(shè)計(jì)的水平?jīng)Q定的，科學(xué)的設(shè)計(jì)可以大大提高電源的穩(wěn)定性和安全性。因此本文對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源電路的基本組成、工作原理進(jìn)行了研究，并其中的一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；穩(wěn)壓電源；電源電路

電源是各種電子產(chǎn)品和電器設(shè)備的重要組成部分，穩(wěn)定的電源供給是保障設(shè)備高效運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。大部分電子產(chǎn)品都采用的是直流電源，但電網(wǎng)中提供的通常是交流電，因此必須采用AC-DC電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能正常使用。在當(dāng)前的AC-DC電源產(chǎn)品體系中，又以高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的性能最為優(yōu)異，加上其體積小、重量輕，成為許多電子產(chǎn)品電源電路的首選[1]。開關(guān)穩(wěn)壓電源的性能對(duì)電子產(chǎn)品的性能影響很大，本文對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源電路的基本組成、工作原理進(jìn)行了分析，并以某型+24V- 5A-120W的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)過程為例，對(duì)一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。本文的研究可以為開關(guān)電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供有益的參考。

1電源電路結(jié)構(gòu)分析

不同的廠家設(shè)計(jì)的開關(guān)穩(wěn)壓電源在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大差異，但其基本工作原理是相似的[2]。一般來說，開關(guān)穩(wěn)壓電源要完成電能轉(zhuǎn)換工作，至少要包含輸入單元、功率變換單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元和保護(hù)電路等部分。

主電路的輸入電源使用是單相交流電形式，然后對(duì)其進(jìn)行半橋整流和濾波，完成功率變換，半橋逆變模塊采用MOSFET管器件，構(gòu)成了頻率等于50kHz的開關(guān)電路。為了實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)，需要進(jìn)行反饋電路設(shè)計(jì)，將輸出端的電壓進(jìn)行采樣后反饋到比較電路，與預(yù)設(shè)值相比，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)逆變電路的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，使其具有動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和穩(wěn)定性。下面對(duì)各設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)論證和分析。

2電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1控制電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

控制電路采用了現(xiàn)代自動(dòng)控制理論的基本思想，通過信號(hào)反饋的方式來達(dá)到輸入端信號(hào)的自調(diào)節(jié)，這是電源電路提升穩(wěn)壓性能的關(guān)鍵要點(diǎn)。在具體實(shí)現(xiàn)上，首先人為設(shè)計(jì)一個(gè)電壓值，即希望通過電路設(shè)計(jì)使其電壓穩(wěn)定在設(shè)定值附近，并盡可能控制其變化幅度；其次，將電路輸出端的電壓信號(hào)通過反饋回路引回輸入端，并與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行差分后作為控制信號(hào)對(duì)功率開關(guān)器件的導(dǎo)角進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，當(dāng)輸出電壓偏高時(shí)，該差分信號(hào)可以將輸入電壓調(diào)低，反之亦然，從而將輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值上。根據(jù)實(shí)際需求和成本考慮，本文采用了SG3525芯片為電路控制單元。

控制單元是電源電路性能的重要保證，合理的控制邏輯設(shè)計(jì)和器件選型可以大大提升開關(guān)穩(wěn)壓電源的總體性能。因此，為了提高控制電路的性能，可以采用恒頻脈寬調(diào)制方式進(jìn)行電路控制，充分利用了誤差放大器的高精確性，使設(shè)計(jì)者可以更精確地控制PWM波的占空比，對(duì)輸出電壓進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)壓。此外，為了提高電路帶負(fù)載能力，設(shè)計(jì)時(shí)可以另外加入驅(qū)動(dòng)隔離電路。

2.2功率變換單元設(shè)計(jì)要點(diǎn)

開關(guān)電源的關(guān)鍵功能在于將交變的電波轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)的直流電，而這種變換是由功率變換器件完成的[3]，因此功率變換單元的設(shè)計(jì)應(yīng)作為開關(guān)穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，必須高度重視。功率變換單元的設(shè)計(jì)并不是一成不變的，它與用電設(shè)備對(duì)輸出電壓的功率量級(jí)有著很大的關(guān)系，不同的功率要求需要進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，因此如何把握功率變換單元與輸出功率之間的適配性，成為了功率變換單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)。對(duì)于一般場(chǎng)合來說，目前較廣泛采用的功率變換單元多采用半橋變換器，通過脈寬調(diào)制的方式進(jìn)行功率變換控制，可以達(dá)到較滿意的效果。要實(shí)現(xiàn)基于脈寬調(diào)制的半橋功率變換電路，就需要用到MOSFET管、變壓器、二極管等器件，而這些器件的選型也對(duì)功率變換單元的性能起到了較重要的作用。

2.3開關(guān)管驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)要點(diǎn)

MOSFET器件是一種典型的電壓控制型器件，與其它功率器件相比，它所需要的驅(qū)動(dòng)功率更小，因而在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上可以得到較大的簡(jiǎn)化[4]。但要想MOSFET正常工作，仍然需要為期春提供提供充分的柵極電壓和柵極電容充電電流，同時(shí)還要滿足瀉放柵極電荷的要求?？紤]到驅(qū)動(dòng)電路在整體電路中的位置一般處于主電路和控制電路之間，因此它可以充分發(fā)揮其位置的優(yōu)勢(shì)，既可以為功率器件提供適當(dāng)可調(diào)的正向電壓和反射電壓，為開關(guān)管的準(zhǔn)確動(dòng)作提供了良好的條件，還可以在短時(shí)間內(nèi)建立起充分的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流，促進(jìn)柵控電場(chǎng)的形成，減少器件響應(yīng)時(shí)間。因此開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)必須以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率大、負(fù)壓關(guān)斷能力強(qiáng)等指標(biāo)為重要方向。為了使MOSFET管的高頻寄生振蕩對(duì)電路產(chǎn)生最小的影響，可以在柵極中串入柵極電阻，以達(dá)到迅速衰減寄生振蕩的目的，同時(shí)可以在柵源極間并聯(lián)一個(gè)4.7kΩ的電阻器，進(jìn)一步提高開關(guān)管的耐壓性能和抗干擾性能。此外，在柵源極間并兩只反串的穩(wěn)壓二極管，可以對(duì)電路起到過壓保護(hù)作用，提高電源電路的可靠性。

2.4過流保護(hù)單元設(shè)計(jì)要點(diǎn)

過渡保護(hù)單元可以在特殊情況下對(duì)電源進(jìn)行保護(hù)，防止意外事件對(duì)電源電路造成損壞。盡管過渡保護(hù)電路不是電源電路的主要部分，但它的作用是十分重要的，尤其是對(duì)于一些供電質(zhì)量不高的區(qū)域，或者那些環(huán)境惡劣的地區(qū)。過渡保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括，通過兩個(gè)電阻并聯(lián)對(duì)電路電流進(jìn)行采樣，如果電流大于5.5A，則運(yùn)算放大器反射輸入電壓為正，此時(shí)只能輸出低電平，此時(shí)SG3525模塊也會(huì)被迫關(guān)閉， PWM脈沖輸出隨之停止，即發(fā)揮了過渡保護(hù)的功能。

2.5整流器輸出單元

交流電經(jīng)過整流、濾波、逆變、穩(wěn)壓等處理后，電壓水平基本可以滿足使用要求，此時(shí)可以將電壓輸出供用電設(shè)備使用。電壓信號(hào)是通過整流器輸出電路來輸出的，該器件實(shí)際上是兩個(gè)二極管，本質(zhì)上屬于全波整流電路。兩個(gè)二極管與電感平攤電流?？紤]到變壓器次級(jí)線圈一般會(huì)有一個(gè)抽頭，因此可以把次級(jí)線圈看成是兩個(gè)獨(dú)立的對(duì)稱繞組，其輸出電壓在數(shù)值上相等，但方向是相反的。

3電路測(cè)試要點(diǎn)分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，必須對(duì)上述設(shè)計(jì)的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路的基本功能和電路性能進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。測(cè)試的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過輸入不同的電壓，觀察其輸出能否保持穩(wěn)定。在瞬間過壓條件下，過渡保護(hù)電路能否發(fā)揮應(yīng)有的作用。通過測(cè)試，在輸入100-220V的單相交流電時(shí)，輸出電流均可以保持在5A左右，電壓誤差不超過0.3V?？梢?，本文采用的半橋整流電路充分發(fā)揮了其開關(guān)管承受電壓低、數(shù)量少和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。另外，變壓器原邊串入的耦合電容很大程度上避免了過強(qiáng)的直流偏磁問題。進(jìn)一步測(cè)試表明，該電路具有較小的電壓調(diào)整率、電壓在閉環(huán)控制下穩(wěn)定性較好、工作過程安全可靠。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)者只要注意本文分析的幾個(gè)要點(diǎn)，就可以為高性能的開關(guān)穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定良好的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的電源可以在100-500W的中功率領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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[4]黃俊.基于PWM的高精度直流開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器.2016，（12）：181-185.

作者簡(jiǎn)介：

李巖，男，漢族，天津市武清區(qū)，中電晶銳（天津）激光技術(shù)有限公司，助理工程師，大學(xué)本科，電路控制系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì).