一種高精度的自激式多路輸出穩(wěn)壓開關(guān)電源的設(shè)計
摘要:提出了一種高精度的自激式多路輸出穩(wěn)壓開關(guān)電源，較以往多路輸出開關(guān)電源，所用元件極少，其中自激控制部分僅用11 個常用元件實現(xiàn)，但是其輸出電源精度卻很高。而且只需稍做修改，就可將電路中±9 V轉(zhuǎn)換為±12 V，±15V，其中主回路稍作修改也可改為3 。3 V/4 A精確輸出。此電源電路簡單，適用范圍廣。
0 引 言
開關(guān)電源是一種利用開關(guān)功率器件并通過功率變換技術(shù)而制成的直流穩(wěn)壓電源。它具有體積小、重量輕、效率高、對電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應性強的特點。開關(guān)電源又被稱為高效節(jié)能電源，內(nèi)部電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，自身消耗的能量很低，一般電源效率可達80 %以上，比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍。
開關(guān)電源的主電路拓撲有很多種，從DC/DC 變換輸入與輸出間有無變壓器隔離，開關(guān)電源分為有變壓器隔離和無變壓器隔離，每類又有幾種拓撲，即Buck(降壓型)、Boost (升壓型)、Buck-Boost (升壓-降壓型)、Cuk(串聯(lián)式)及Sepic (并聯(lián)式)等;按激勵方式分，有自激式和它激式;按控制種類包括PWF(調(diào)頻式)、PWM(調(diào)寬式)、PAM(調(diào)幅式)和RSM(諧振式)4 種;按能量傳遞方式有連續(xù)模式和不連續(xù)模式。用的最多的是調(diào)寬式變換器。調(diào)寬式變換器有以下幾種:正激式(Forward )、反激式(Feedback )、半橋式(Half Bridge Mode )、全橋式(Full Bridge Mode )及推挽式(Push Draw Mode )等。若按開關(guān)管的開關(guān)條件可分為硬開關(guān)(Hardswitching)和軟開關(guān)(Softswitching)兩種。根據(jù)對開關(guān)電源的各種拓撲和控制方式的技術(shù)要求，工程實際的實現(xiàn)難易，電器性能及成本等指標的總結(jié)，本文選用有變壓器隔離的自激型反激式拓撲來實現(xiàn)這款多路輸出高精度的開關(guān)電源。
1 開關(guān)電源的原理
多路輸出高精度的開關(guān)電源原理如圖1 所示。
圖1 開關(guān)電源原理圖
一般開關(guān)電源由圖1 中所示四部分組成。輸入電路主要由防雷、濾波、浪涌電流抑制、整流電路等構(gòu)成。
作用是把輸入電網(wǎng)交流電源轉(zhuǎn)化為符合電源輸入要求的直流電源。變換電路含開關(guān)電路、變壓器及RCD 吸收電路等，是開關(guān)電源能量變換的主通道�？刂齐娐泛与娐�，本論文采用大阻值電阻分壓取樣，含基準電源，此處用TL431 產(chǎn)生2 。5V 基準電源。此外還有誤差放大及脈沖驅(qū)動電路，取樣的誤差信號經(jīng)光耦線性放大誤差信號同時反饋產(chǎn)生驅(qū)動開關(guān)管的矩形脈沖，達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。輸出電路包含整流、濾波，把輸出電壓整流成脈動直流，并平滑成低紋波直流電壓。本論文實現(xiàn)的電源，具有設(shè)計簡單，體積小，效率高，紋波小及適用范圍廣的優(yōu)點。
2 開關(guān)電源的設(shè)計與實現(xiàn)
多路輸出高精度的開關(guān)電源的主要設(shè)計要求如下:
輸入電壓:AC132 V～264 V
輸入頻率:50/60 Hz
輸出四路電壓:U1 24 V/0.5 A、U2-9 V/0.8 A、
U3 9 V/0.8 A、U4 5 V/3 A
輸出功率:40 W
紋波電壓:≤100 mV
負載調(diào)整率:≤3 %.
2 .1 設(shè)計原理
圖中X1_C1 、X1_C2 、Y_C1 、Y_C1及L 組成EMI 電路，用來濾除電網(wǎng)中的共模差模信號，同時避免開關(guān)電源對電網(wǎng)造成污染。L 為共模扼流圈，共模扼流圈是開關(guān)電源、變頻器、UPS 電源等設(shè)備中的一個重要部分。當工作電流流過兩個繞向相反的線圈時，產(chǎn)生兩個相互抵消的磁場，如果有共模干擾信號流過線圈時，線圈對共模信號即呈現(xiàn)出高阻抗，產(chǎn)生很強的阻尼效果，達到衰減干擾信號作用。X1_C1 、X1_C2 、Y_C1及Y_C2為安規(guī)電容，其中X1_C1與X1_C2為X 安規(guī)電容，Y_C1和Y_C2為Y 安規(guī)電容，它們用在電源濾波器里，與L 起到電源濾波作用，分別對共模，差模工擾起濾波作用。安規(guī)電容的特性是電容器失效后，不會導致電擊穿，不危及人身安全。RV為壓敏電阻，具有防雷作用，也可用TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)，由于壓敏電阻具有良好的非線性特性、通電流大、殘壓水平低、動作快和無續(xù)流等特點，被廣泛用于電子設(shè)備防雷。
開關(guān)電源系統(tǒng)壓敏電阻相當于D 級防雷器，對于220V線路，壓敏電阻的選取為，220×1 .4×1 .4=430 V，所以壓敏電阻選型為470 V。RT 為熱敏電阻，開機時，220 V交流電經(jīng)過整流后對大電容充電，而電容的特性是瞬間充電電流為最大，從而對前邊的橋和保險絲帶來沖擊，容易造成器件上電時損壞，為了提高電源設(shè)計的安全系數(shù)，常在保險之后加入電阻進行限流，電阻越大時，雖然限流效果好，但是電阻消耗的電能也是很大的，開關(guān)電源啟動后，限流電阻已沒有作用，反而浪費電力。為了達到較好限流效果而又省電，現(xiàn)在的開關(guān)電源經(jīng)常采用負溫度熱敏電阻作限流使用，吸收浪涌電流。負溫度熱敏電阻的特性是，溫度越高，電阻越小。為了減小電源體積及復雜度，此處避免了使用繼電器等組成的防浪涌電路，經(jīng)過試驗，達到了非常好的效果。變壓器T，RCD(R2 ，C1 ，D1 )吸收電路及開關(guān)管構(gòu)成了此電源的能量轉(zhuǎn)換電路，本電路采用單端反激，是一種比較成熟的電源變換電路，變壓器既作為隔離器件，又作為儲能器件。此變壓器采用EI 骨架，初級線圈電感量在1 .2 ～1 .3 mH 之間，在繞制變壓器時，自激繞組要靠外圈，初級繞組分兩組疊加，一組在內(nèi)，一組在外，可防止磁通飽和影響電源效率。此變壓器屬于常規(guī)變壓器，不再多述，開關(guān)管的選取要注意漏源級的耐壓，最大工作電流，導通電阻，耗散功率及一些開關(guān)時間等。RCD 吸收電路的功能是吸收因變壓器初級繞組在工作時產(chǎn)生的自感電勢，避免在開關(guān)管集電極截止瞬間出現(xiàn)過高的反峰高電壓損壞開關(guān)管而設(shè)的。開關(guān)管工作時一直處于導通與截止，循環(huán)工作，所以吸收回路一直是有電流通過的，這個電流的大小隨開關(guān)電源的功率大小而不同，使得吸收回路的元器件取值也不一樣，RCD 吸收電路中的R 值如過小，就會降低開關(guān)電源的效率。然而，如R 值過大，MOS 管就存在著被擊穿的危險。本電路選用10 kΩ/2 W，電容選用0.01 μF/1 kV，D1選用耐壓1 kV的HER107 。輸出電路主要包含整流濾波，三端穩(wěn)壓器及假電阻等。選用合適的濾波電容及假電阻可減小電源輸出紋波和提高電源效率。
圖2 中光耦器件PC817 ，TL431 及框中自激電路組成了本電源的控制電路。R16 、R17是取樣電阻，TL431 為可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，通過改變電阻R16和R17的分壓值，可小范圍改變輸出電壓值。R15和C20為TL431 的頻率補償電路，可以提高TL43l 的瞬態(tài)頻率響應。關(guān)于反饋回路的設(shè)計，實際上就是確定R13 、R14的阻值及選定合適的光耦合器件，首先要選定線性度好的光耦合器件，因為這樣可以把輸出線性的反應到自激電路，可以由自激電路產(chǎn)生線性變化的脈沖，從而線性的反比例控制開關(guān)管的截止與導通。而目前國內(nèi)常用的4N25 系列光耦屬于非線性光耦合器，不宜采用。其次要注意光耦合器件的CTR(電流傳輸比)值。使用光電耦合器主要是為了提供隔離，同時又能將輸出的變化線性的反應在自激控制電路中，容易線性的控制開關(guān)管的占空比。光耦合器的CTR 的允許范圍是50 %～200 %，這是因為當CTR<50 %時，光耦中的輸入級就需要較大的工作電流，這會增大光耦的功耗。若CTR>200 %，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能影響正常輸出。PC817 的CTR 線性范圍為80 %～160 %，能夠較好地滿足反饋回路的設(shè)計要求。確定好光耦后，就要確定R13 、R14 ，需要注意的是，在選擇電阻時必須保證TL431 工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。R13為PC817的外部限流電阻。實際上除了限流保護作用外，它對控制回路的增益也具有重要影響。當R13改變時，會影響到光耦的輸入電流，然后影響光耦的輸出電流，進而影響開關(guān)管的占空比，也就相當于改變了控制回路的電流放大倍數(shù)。此電路中R13取100 Ω，在光耦輸入端和R13上并聯(lián)R14是為了在光耦輸入電流接近于0時，為了保證TL431 陰極不低于1 mA的工作電流而設(shè)置的。
2 .2 電源反饋電路原理
圖2 中方框圖是自激電路，是本論文的核心，是電源的脈沖生成及控制部分。三極管工作于開關(guān)狀態(tài)，開通與截止的時間受PC817 輸出端電流和取樣電阻R7的影響。用示波器可觀察到圖2 方框圖中穩(wěn)壓管，三極管，取樣電阻都工作于矩形脈沖下。下面簡要分析一下反饋回路實現(xiàn)穩(wěn)壓的工作過程。當輸出電壓Uo發(fā)生波動時，通過取樣電阻R16 、R17分壓后，就使TL431 上的光耦輸入電流If產(chǎn)生相應的變化，進而使PC817 中輸出電流Ic改變，Ic的改變使三極管基極的電流Ib改變，進而改變了基極電壓Ub ，改變了三極管的導通時間，從而改變了開關(guān)管的導通時間，即占空比D，使Uo產(chǎn)生了相反的變化，以保持Uo的穩(wěn)定。上述穩(wěn)壓過程可歸納為:Uo ↑→If ↑→Ic ↑→Ib ↑→Ub ↑→D↓→Uo ↓。如此一個循環(huán)后Uo下降，使電源達到穩(wěn)定。
圖3 是輸入AC220 V，輸出空載、半載及全載時，開關(guān)管漏極和源級兩點的輸出波形圖，示波器為10 倍衰減，圖形顯示縱坐標為5 V/div，橫坐標為2 μs/div。
可見開關(guān)頻率隨負載的大小而反比例變化。
3 結(jié)束語
根據(jù)上述原理，進行了電源設(shè)計并制作了樣機，調(diào)試后性能穩(wěn)定。如圖3 是電源輸入AC220 V，開關(guān)管漏源級在電源空載、半載及全載時的波形。表1 是在空載、半載及全載時所測的四路輸出電壓值。
表1 四路輸出實測結(jié)果
此電源電路簡單，自激電路設(shè)計新穎，所用元件少，效率達到82 %以上，紋波電壓90 mV，因此完全符合設(shè)計要求。此外開關(guān)管占空比與輸入交流電壓成正比，與頻率成反比。當電壓從低調(diào)到AC220 V 時，從示波器看開關(guān)管漏源極波形會發(fā)現(xiàn)開關(guān)頻率從不到100 kHz 上升至電源空載時圖3 中a圖所示的電源空載頻率300 kHz 。當電源工作于設(shè)計要求的電壓時，負載不隨輸入電壓變化，再從示波器看開關(guān)管漏源極波形時會發(fā)現(xiàn)，輸入電壓不變的時候，開關(guān)管的工作頻率與負載大小成反比。因而此電源能夠適應輸入與輸出寬范圍變化的工作環(huán)境。由于此電源工作于幾百千赫茲的頻率，效率比較高，所以要求開關(guān)管用高頻率開關(guān)管。此電源還可稍做修改，將TL431 改為TLV431 ，再把R16 、R17換個阻值，其它無須更改即可將輸出5 V/3 A改為3 。3 V/4 A 輸出，也可將±9 V變壓器繞組增加2 圈或4 圈，分別將三端穩(wěn)壓器改為7812 與7912 、7815 與7915 ，這樣可輸出±12 V，±15V的電壓，此時電流不超0。6 A。此電源應用范圍廣，輸出電壓精度卻不低。
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