5V開關(guān)電源設(shè)計(jì)

廣東白云學(xué)院 劉 康 林啟明 曾貴娥

本文通過對(duì)常用的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種基于OB2353CP為控制芯片的反激式小功率開關(guān)電源。剛方案有利于減小開關(guān)電源體積，提高開關(guān)電源效率。最后通過對(duì)實(shí)物的實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行分析，證明該方案設(shè)計(jì)的開關(guān)電源能輸出穩(wěn)定的5V電壓，滿足設(shè)計(jì)要求。

1 概述

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源已經(jīng)開始廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。由于電子設(shè)備的不斷研發(fā)和制造，開關(guān)電源的各方面要求也隨之不斷的提高和完善，人們對(duì)其的需要也在不斷的提高（劉天羽,沈任元,田玉冬.提高開關(guān)電源效率和節(jié)能電源的研究與設(shè)計(jì)[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,10(2):93-97）。而開關(guān)電源因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕、高效率等優(yōu)點(diǎn)，成為使用最廣泛的電源。本設(shè)計(jì)的開關(guān)電源是基于OB2353CP為控制芯片，使輸出電壓為5V。

2 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源電路主要包括輸入電路，整流濾波電路，控制電路，輸出濾波電路等，如圖1所示：

圖1 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖

2.1 變換電路設(shè)計(jì)

變換電路屬于輸出濾波電路，是開關(guān)電源的重要部分，因此首先，要確定變換電路中直流斬波電路的結(jié)構(gòu)。常用的斬波變換電路有正激型，反激型，推挽型，半橋型，全橋型等等（程紅麗,等.高效率復(fù)合DC_DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].創(chuàng)意與實(shí)踐,2015,3:72-76）。鑒于本設(shè)計(jì)基于開關(guān)電源芯片OB2353CP設(shè)計(jì)的開關(guān)電源，此芯片用于功率較少的開關(guān)電源中，所以本次設(shè)計(jì)的開關(guān)電源功率較小，不適合用推挽、半橋和全橋變換電路。對(duì)于正激型變換器和反激型變換器來說，在變壓器的一次測(cè)，反激式變換電路比正激式變換電路中少用一個(gè)大儲(chǔ)能濾波電感和一個(gè)續(xù)流二極管；在變壓器二次側(cè)，而反激式開關(guān)電源的能量直接存儲(chǔ)在變壓器上，而正激式開關(guān)電源則需增加一個(gè)儲(chǔ)能電感進(jìn)行儲(chǔ)能；正激式開關(guān)電源還有一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是控制開關(guān)斷開時(shí)，變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓比反激式開關(guān)電源產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓要大得多；正激式開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度影響，相對(duì)于反激式開關(guān)電源來說影響低很多；正激式變換電路中變壓器一次繞組中只有單方向的脈動(dòng)電流流過，變壓器存在直流磁化現(xiàn)象，鐵芯容易飽和。為了使變壓器鐵芯不飽和，變壓器會(huì)比反激式變壓器多一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)吸收繞組，正激式變壓器體積比較大。

考慮到本次設(shè)計(jì)的為小功率開關(guān)電源，通過對(duì)比分析，反激式變換電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元器件數(shù)量少，成本較低，更加適合于小功率開關(guān)電源，故而選擇反激型變換器，其電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示：

圖2 反激型變換電路

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

本次控制電路的設(shè)計(jì)主要以開關(guān)電源芯片OB2353CP為控制核心和反饋電路組成的控制電路。利用反饋電路采樣電壓進(jìn)行反饋，芯片根據(jù)反饋電壓的大小利用PWM調(diào)節(jié)占空比，得到穩(wěn)定的輸出電壓。OB2353CP是一款電流模式PWM控制芯片，內(nèi)置功率MOSFET，低起動(dòng)電流（5μA），有固定工作頻率，中心頻率在50KHz左右，電路中具有前沿消隱功能，可消除由于干擾引起的MOSFET的誤動(dòng)作，芯片內(nèi)部還具有頻率抖動(dòng)功能和震蕩電路，使其有多種工作模式，并可以有效降低EMI，內(nèi)置的軟啟動(dòng)電路減小了電路啟動(dòng)時(shí)變壓器的應(yīng)力，保護(hù)功能也完善。

2.3 整流電路設(shè)計(jì)

通常情況下，在隔離型開關(guān)電源中，采用整流二極管組成的橋式整流電路為主。在橋式整流電路中，整流二極管的主要參數(shù)包括：反向峰值電壓URM（V）、正向壓降UF（V）、平均整流電流IF(AV)、正向峰值浪涌電流IFSM(A)、最大反向漏電流IR(μA)。整流橋的反向擊穿電壓應(yīng)滿足式(1)的要求：

假設(shè)輸入電流的有效值是IRMS，整流橋額定的有效電流值是IBR，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足IBR≥IRMS。則有效電流IRMS的計(jì)算公式如下：

式中，Po表示輸出功率，η表示工作效率，Umin表示交流輸入電壓最小值，cosφ表示功率因素。cosφ的值可以取0.5-0.7。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，由于整流二極管的價(jià)格都比較便宜，應(yīng)當(dāng)遵循耐壓值“寧高勿低”的原則進(jìn)行選擇，這樣既可以保證電路的安全，也可以增加電路的可靠性。

本次設(shè)計(jì)的整流二極管采用的規(guī)格型號(hào)為1N4007，其最大平均整流電流1A，最大正向峰值浪涌電流30A，最大反向峰值電壓為1000V，最大反向漏電流5μA，正向壓降1V。

2.4 輸入濾波電路設(shè)計(jì)

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，需要各種各樣的電容，有貼片式的，也有插件式的，按用途分為：小型電容器、調(diào)諧電容器、高頻旁路電容器、低頻旁路電容器、高頻耦合電容器、低頻耦合電容器、濾波電容器等。

在反激式開關(guān)電源中，儲(chǔ)能元件電容的選擇是十分重要的，其一個(gè)重要參數(shù)電容容量的選擇也是十分的重要。若選擇的電容容量過低時(shí)，會(huì)大大降低直流電壓最小值Umin的值；若選擇的電容容量過高時(shí)，既會(huì)使電容的成本提高，也會(huì)使提高Umin的值和降低脈動(dòng)電壓的效果達(dá)不到預(yù)期的效果。

假設(shè)交流電壓u的最小值為umin，電容的充電時(shí)間為tC，電容C的容量C1計(jì)算公式如下:

可推導(dǎo)：

整理可得：

在濾波電路中，電容容量的選擇必須要合理。設(shè)比例系數(shù)K為每單位輸出功率（W）所需濾波電容容量（μF），當(dāng)交流電壓u為230V（1±15%）時(shí)，k的取值應(yīng)選擇為1μF/W（龍志文.電路電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005）。當(dāng)交流電壓u為110V（1±15%）時(shí)，k的取值應(yīng)選擇為2-3μF/W。濾波電路中電容容量的選擇方法如表1所示：

表1 濾波電路中電容容量的選擇方法

在本設(shè)計(jì)中，輸入的交流電壓偏差的范圍在85-265V中，所以UIminC1的值取為90V，f=50Hz，tC=2.4ms，Po=2W，η=80%，把值帶入式(5)中可以求出C1=5.98μF，比例系數(shù)：

在2-3μF/W的允范圍之內(nèi)。經(jīng)過查詢電容容量的規(guī)格沒有5.98μF，所以選擇電容容量為4.7μF的電容，此容量大小最接近5.98μF。

本次設(shè)計(jì)為π型濾波電路，如圖3所示：

圖3 π型濾波電路

2.5 輸出保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為了保證輸出電路能夠安全穩(wěn)定的工作，應(yīng)具有良好的保護(hù)功能（李金伴,李捷輝,李捷明.開關(guān)電源技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2006）。在本次設(shè)計(jì)中，結(jié)合實(shí)際情況，為了降低成本，簡(jiǎn)化電路，采用過流保護(hù)，其電路如下：

圖4 輸出保護(hù)電路

電路工作原理：電阻R20為負(fù)載電流檢測(cè)電阻，其阻值的選擇通常根據(jù)負(fù)載電流保護(hù)閾值而定（王水平,等.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理及設(shè)計(jì)[M].人民郵電出版社,2008），其電阻值取值極小，在開關(guān)電源正常工作下，其壓降不足0.3V。當(dāng)開關(guān)電源過流檢測(cè)電壓Uo＞0.7V時(shí)，過流使三極管導(dǎo)通，輸出電壓直接通過三極管的集電極輸出到晶閘管的門極中去，使晶閘管導(dǎo)通，將輸出電路短路，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

設(shè)計(jì)完成后，對(duì)本次設(shè)計(jì)的開關(guān)電源進(jìn)行測(cè)試，用示波器測(cè)試不同時(shí)間下直流5V輸出的波形，看其是否穩(wěn)定輸出滿足要求。下面3組數(shù)據(jù)分別是在50ns，2μs和10μs下所測(cè)的直流5V輸出電壓的值：

圖5 50ns時(shí)所測(cè)輸出電壓值

圖6 2μs時(shí)所測(cè)輸出電壓值

圖7 10μs時(shí)所測(cè)電壓輸出值

由上面3組數(shù)據(jù)，可以算出，在50ns時(shí)，輸出電壓平均值為4.81V，誤差則為：

在2μs時(shí)，輸出電壓平均值為4.82V，誤差則為：

在10μs時(shí)，輸出電壓平均值為4.81V，誤差則為：

由此可以得到，誤差范圍均在±5%以內(nèi)，輸出電壓值較為穩(wěn)定，誤差在允許范圍內(nèi)，滿足要求。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，本次設(shè)計(jì)的開關(guān)電源可以輸出穩(wěn)定的5V電壓，工作比較穩(wěn)定，誤差滿足要求，且該開關(guān)具有電路保護(hù)作用，可見該設(shè)計(jì)方案合理。