技術(shù)分享：一款自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(duì)電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應(yīng)性強(qiáng)、輸出電壓保持時(shí)間長(zhǎng)、有利于計(jì)算機(jī)信息保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。開關(guān)電源又被稱為高效能節(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(dá)80%左右，比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍。目前生產(chǎn)的無工頻變壓器式中，開關(guān)電源仍然采用脈沖寬調(diào)制器PWM或脈沖頻率調(diào)制器PFM的原理。本文根據(jù)PWM原理，利用開關(guān)管BU508A，結(jié)合實(shí)例介紹一種無工頻變壓器的反激隔離式的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。

主要技術(shù)參數(shù)

輸入電壓：AC220V

輸入頻率：50Hz

輸入電壓范圍：AC165V-265V

輸出電壓：DC24V，2A

輸出功率：48W

工作原理

圖1 開關(guān)電源的工作原理圖

開關(guān)電源的工作原理如圖1所示，輸入電壓為AC220v，50Hz的交流電，經(jīng)過濾波，再由整流橋整流后變?yōu)橹绷?，通過控制電路中開關(guān)管的導(dǎo)通和截止使高頻變壓器的一次測(cè)產(chǎn)生低壓高頻電壓，經(jīng)由小功率高頻變壓器藕合到二次測(cè)，再經(jīng)整流濾波，得到直流電壓輸出。為了使輸出電壓穩(wěn)定，用了TL431取樣，將誤差經(jīng)光耦合放大，通過PWM來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止時(shí)間(即占空比)，使得輸出電壓保持穩(wěn)定。

開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源電路圖如圖2所示。在此功率轉(zhuǎn)換電路中，采用單端反激式變換器，單端是因?yàn)槠涓哳l變壓器的磁芯只工作在第一象限。按變壓器的副邊開關(guān)整流器二極管的接線方式不同，單端變換器可分為兩種：正激式與反激式。原邊主功率開關(guān)管與副邊整流管的開關(guān)狀態(tài)相反(開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，副邊的整流二極管截止)稱為單端反激式。當(dāng)原邊加到高電平激勵(lì)脈沖使Q1導(dǎo)通，直流輸入高頻變壓器的原邊兩端，此時(shí)因副邊是上負(fù)下正，使整流二極管截止;當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為低電平使Q1截止，原邊兩端極性反向，使副邊繞組兩端變?yōu)樯险仑?fù)，則整流二極管被正向?qū)?，此后變壓器副邊的磁能向?fù)載釋放。因此單端反激式變換器只是在原邊Q1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，當(dāng)它截止時(shí)才向負(fù)載釋放，故高頻變壓器在開關(guān)過程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲(chǔ)能元件。

圖2 開關(guān)電源電路圖

在交流電源的輸入端接入的電磁干擾濾波器，由共模扼流圈L1、C2和C3構(gòu)成，C2和C3的中點(diǎn)應(yīng)接地，用來抑制共模干擾。C1用來濾波，濾除串模干擾，電容量較大。鑒于開關(guān)管BU508A在關(guān)斷的瞬間，高頻變壓器的漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，利用C8、R3和D1組成鉗位電路，C9的作用是濾除開關(guān)管集電極的尖峰電壓，決定自動(dòng)重啟動(dòng)頻率，C9和R4一起對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)C9和R4還起原邊快速?gòu)?fù)位的作用，能有效的保護(hù)開關(guān)管不被損壞。

1 開關(guān)電源的開關(guān)控制部分

開關(guān)電源其核心是開關(guān)控制部分，主要工作過程是通過圖2中B點(diǎn)和C點(diǎn)電壓的高低來控制主功率開關(guān)管 Q1導(dǎo)通和截止的時(shí)間(即占空比的大小)。當(dāng)Q1截止時(shí)A點(diǎn)為高電平，C5對(duì)Q1放電，使B點(diǎn)電位迅速提高，使開關(guān)管Q1基極電位高于發(fā)射極，因而Q1飽和導(dǎo)通，并對(duì)C5進(jìn)行充電。而此時(shí)的電流為變壓器原邊電流與Q1導(dǎo)通時(shí)的電流之和，所以流經(jīng)R5的電流值很大，C點(diǎn)電位升高，飽和導(dǎo)通使A點(diǎn)電位下降，Q1也就截止。

D2和D3作用是在Q1導(dǎo)通時(shí)，使C點(diǎn)電位不致很高，否則C5的放電時(shí)間過長(zhǎng)，使Q1關(guān)斷時(shí)間toff過大，而 Q1導(dǎo)通時(shí)間ton保持不變，這樣頻率變低。若Q1導(dǎo)通時(shí)C點(diǎn)提升太高時(shí)，才將Q1變?yōu)榻刂?，此時(shí)D2和D3正向?qū)?，C點(diǎn)的電位降低，使得C5放電時(shí)間很短就能將使Vb>Vc，使toff也很小，因而可以使頻率達(dá)到很高。

2 PWM調(diào)節(jié)部分

Q1導(dǎo)通時(shí)，繞組N2上正下負(fù)，C10吸收剛放電時(shí)的尖峰電壓，防止二極管D10正向?qū)〒p壞，D10正向?qū)?，使B點(diǎn)電位升高，從而使Q1更快飽和導(dǎo)通。同時(shí)Q2導(dǎo)通，再使 Q3也導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓下降，原邊線圈電流減小至截止。這時(shí)N2邊為下正上負(fù)，D4和D5導(dǎo)通，Q4基極變?yōu)楦唠娢?，Q4導(dǎo)通，C點(diǎn)電位降低，截止時(shí)間變短，而TL431反饋電流使流入Q4基極的電流就會(huì)減小，C點(diǎn)電位就下降得慢，截止時(shí)間變長(zhǎng)。Q1導(dǎo)通時(shí)，TL431反饋電流決定C點(diǎn)電位升高的快慢來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。C12是用來保護(hù)Q3，在截止時(shí)反向峰值電壓過高，而損壞Q3。反饋控制就是將取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較，轉(zhuǎn)化為電流，再經(jīng)電流放大來調(diào)節(jié) ton與toff來控制占空比從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

R12是輸出電壓的最小負(fù)載，防止負(fù)載空載時(shí)電壓太高，用于提高輕載時(shí)的電壓調(diào)整率。C17可適當(dāng)?shù)慕档驼`差放大器的高頻增益。TL431的基準(zhǔn)電壓與輸出電壓Vo比較，在R14形成誤差電壓，從而使IC1的二極管產(chǎn)生不同的電流。R14是IC1二極管的限流電阻。誤差放大的頻率應(yīng)由R13、R16、VR和C17決定。由C14和R10構(gòu)成的RC吸收網(wǎng)絡(luò)，能消除高頻自激振蕩， 減小射頻干擾。

3 高頻變換器部分

由于高頻變壓器原邊在單位時(shí)間里提供的功率與ton的平方和頻率成正比、與輸入原邊直流電壓的平方成正比，與原邊繞組匝數(shù)成反比，若不考慮變壓器的消耗，由能量守恒可得變壓器副邊功率，即輸出的功率與變壓器副邊匝數(shù)，以及負(fù)載無關(guān)，只由原邊提供的功率決定。因此要得到不同的輸出功率，就只有靠改變高頻變壓器原邊的功率。改變ton對(duì)輸出功率的影響最大，但受到磁通復(fù)位條件的限制不宜較大的改變，要改變輸入原邊的直流電壓，只能改變前面電路的濾波電感與濾波電容等參數(shù)，還可以在前面加入一個(gè)電位器，也能改變直流電壓，而頻率要受到功率開關(guān)管本身?xiàng)l件的限制。所以改變?cè)吚@組匝數(shù)是一個(gè)比較好的方法，原邊線圈繞組寬度不要太長(zhǎng)，而將其分為多層，每一層的接入都用一個(gè)開關(guān)控制，需要不同的繞組匝數(shù)接入不同的開關(guān)就能很好的控制原邊上的功率，從而得到不同的輸出功率。但是，toff時(shí)間內(nèi)要使高頻變壓器的原邊磁通復(fù)位，在ton時(shí)間內(nèi)要使其副邊磁通復(fù)位，如果在開關(guān)工作周期結(jié)束時(shí)，磁通沒有回到周期開始的起點(diǎn)，則變壓器磁芯內(nèi)的磁通就會(huì)逐漸增加，導(dǎo)致磁芯飽和而損壞功率開關(guān)管。要滿足單端變換器的磁通復(fù)位條件，就要使Ton與Toff的時(shí)間適當(dāng)，不能太長(zhǎng)，否則使開關(guān)管的頻率變低，同時(shí)與高頻變壓器原邊與副邊繞組的匝數(shù)有關(guān)。

4 TL431

TL431是三端可調(diào)穩(wěn)壓器，利用兩只外部電阻可設(shè)定2。50—36V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值。TL431的電壓溫度系數(shù)很小。動(dòng)態(tài)阻抗低，典型值為0。2歐，輸出噪聲低，具有適合汽車工業(yè)等溫度范圍內(nèi)所規(guī)定的熱穩(wěn)定性，有效輸出電路具有很陡的導(dǎo)通特性，從而使得這些器件在諸如板上穩(wěn)壓，可調(diào)電源和開關(guān)電源的應(yīng)用中，可以很好的替代齊納二極管。

結(jié)論

根據(jù)上述原理，進(jìn)行了設(shè)計(jì)并制造了樣機(jī)，調(diào)試后性能穩(wěn)定。該電路的特點(diǎn)是占空比與輸入電壓成正比 (頻率成反比)，不受負(fù)載影響，因而容易大范圍控制。由于開關(guān)管的頻率受限，能達(dá)到50KHz-100KHz左右，電源效率稍微比集成開關(guān)管低。為了提高此電路的電源效率最好使用頻率較高的開關(guān)管，頻率越高節(jié)能效果就最佳。