技術(shù)分享：一款自激式開(kāi)關(guān)穩壓電源的設計與實(shí)現

引言

開(kāi)關(guān)電源是一種利用開(kāi)關(guān)功率器件并通過(guò)功率變換技術(shù)而制成的直流穩壓電源。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、輸出電壓保持時(shí)間長(cháng)、有利于計算機信息保護等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。開(kāi)關(guān)電源又被稱(chēng)為高效能節能電源，內部電路工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，自身消耗的能量很低，一般電源效率可達80%左右，比普通線(xiàn)性穩壓電源提高一倍。目前生產(chǎn)的無(wú)工頻變壓器式中，開(kāi)關(guān)電源仍然采用脈沖寬調制器PWM或脈沖頻率調制器PFM的原理。本文根據PWM原理，利用開(kāi)關(guān)管BU508A，結合實(shí)例介紹一種無(wú)工頻變壓器的反激隔離式的開(kāi)關(guān)穩壓電源的設計。

主要技術(shù)參數

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(kāi)關(guān)電源的工作原理圖

開(kāi)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(guò)濾波，再由整流橋整流后變?yōu)橹绷?，通過(guò)控制電路中開(kāi)關(guān)管的導通和截止使高頻變壓器的一次測產(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，再經(jīng)整流濾波，得到直流電壓輸出。為了使輸出電壓穩定，用了TL431取樣，將誤差經(jīng)光耦合放大，通過(guò)PWM來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導通與截止時(shí)間(即占空比)，使得輸出電壓保持穩定。

開(kāi)關(guān)電源的設計

開(kāi)關(guān)電源電路圖如圖2所示。在此功率轉換電路中，采用單端反激式變換器，單端是因為其高頻變壓器的磁芯只工作在第一象限。按變壓器的副邊開(kāi)關(guān)整流器二極管的接線(xiàn)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(kāi)關(guān)管與副邊整流管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相反(開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，副邊的整流二極管截止)稱(chēng)為單端反激式。當原邊加到高電平激勵脈沖使Q1導通，直流輸入高頻變壓器的原邊兩端，此時(shí)因副邊是上負下正，使整流二極管截止;當驅動(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?，則整流二極管被正向導通，此后變壓器副邊的磁能向負載釋放。因此單端反激式變換器只是在原邊Q1導通時(shí)儲存能量，當它截止時(shí)才向負載釋放，故高頻變壓器在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲能元件。

圖2 開(kāi)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構成，C2和C3的中點(diǎn)應接地，用來(lái)抑制共模干擾。C1用來(lái)濾波，濾除串模干擾，電容量較大。鑒于開(kāi)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(kāi)關(guān)管集電極的尖峰電壓，決定自動(dòng)重啟動(dòng)頻率，C9和R4一起對控制回路進(jìn)行補償，同時(shí)C9和R4還起原邊快速復位的作用，能有效的保護開(kāi)關(guān)管不被損壞。

1 開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)控制部分

開(kāi)關(guān)電源其核心是開(kāi)關(guān)控制部分，主要工作過(guò)程是通過(guò)圖2中B點(diǎn)和C點(diǎn)電壓的高低來(lái)控制主功率開(kāi)關(guān)管 Q1導通和截止的時(shí)間(即占空比的大小)。當Q1截止時(shí)A點(diǎn)為高電平，C5對Q1放電，使B點(diǎn)電位迅速提高，使開(kāi)關(guān)管Q1基極電位高于發(fā)射極，因而Q1飽和導通，并對C5進(jìn)行充電。而此時(shí)的電流為變壓器原邊電流與Q1導通時(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，飽和導通使A點(diǎn)電位下降，Q1也就截止。

D2和D3作用是在Q1導通時(shí)，使C點(diǎn)電位不致很高，否則C5的放電時(shí)間過(guò)長(cháng)，使Q1關(guān)斷時(shí)間toff過(guò)大，而 Q1導通時(shí)間ton保持不變，這樣頻率變低。若Q1導通時(shí)C點(diǎn)提升太高時(shí)，才將Q1變?yōu)榻刂?，此時(shí)D2和D3正向導通，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，因而可以使頻率達到很高。

2 PWM調節部分

Q1導通時(shí)，繞組N2上正下負，C10吸收剛放電時(shí)的尖峰電壓，防止二極管D10正向導通損壞，D10正向導通，使B點(diǎn)電位升高，從而使Q1更快飽和導通。同時(shí)Q2導通，再使 Q3也導通，B點(diǎn)電壓下降，原邊線(xiàn)圈電流減小至截止。這時(shí)N2邊為下正上負，D4和D5導通，Q4基極變?yōu)楦唠娢?，Q4導通，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(cháng)。Q1導通時(shí)，TL431反饋電流決定C點(diǎn)電位升高的快慢來(lái)達到穩壓的目的。C12是用來(lái)保護Q3，在截止時(shí)反向峰值電壓過(guò)高，而損壞Q3。反饋控制就是將取樣電壓與基準電壓比較，轉化為電流，再經(jīng)電流放大來(lái)調節 ton與toff來(lái)控制占空比從而達到穩壓的目的。

R12是輸出電壓的最小負載，防止負載空載時(shí)電壓太高，用于提高輕載時(shí)的電壓調整率。C17可適當的降低誤差放大器的高頻增益。TL431的基準電壓與輸出電壓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。誤差放大的頻率應由R13、R16、VR和C17決定。由C14和R10構成的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，以及負載無(wú)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對輸出功率的影響最大，但受到磁通復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，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(kāi)關(guān)管本身條件的限制。所以改變原邊繞組匝數是一個(gè)比較好的方法，原邊線(xiàn)圈繞組寬度不要太長(cháng)，而將其分為多層，每一層的接入都用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，需要不同的繞組匝數接入不同的開(kāi)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)間內要使高頻變壓器的原邊磁通復位，在ton時(shí)間內要使其副邊磁通復位，如果在開(kāi)關(guān)工作周期結束時(shí)，磁通沒(méi)有回到周期開(kāi)始的起點(diǎn)，則變壓器磁芯內的磁通就會(huì )逐漸增加，導致磁芯飽和而損壞功率開(kāi)關(guān)管。要滿(mǎn)足單端變換器的磁通復位條件，就要使Ton與Toff的時(shí)間適當，不能太長(cháng)，否則使開(kāi)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有關(guān)。

4 TL431

TL431是三端可調穩壓器，利用兩只外部電阻可設定2。50—36V范圍內的任何基準電壓值。TL431的電壓溫度系數很小。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(chē)工業(yè)等溫度范圍內所規定的熱穩定性，有效輸出電路具有很陡的導通特性，從而使得這些器件在諸如板上穩壓，可調電源和開(kāi)關(guān)電源的應用中，可以很好的替代齊納二極管。

結論

根據上述原理，進(jìn)行了設計并制造了樣機，調試后性能穩定。該電路的特點(diǎn)是占空比與輸入電壓成正比 (頻率成反比)，不受負載影響，因而容易大范圍控制。由于開(kāi)關(guān)管的頻率受限，能達到50KHz-100KHz左右，電源效率稍微比集成開(kāi)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(kāi)關(guān)管，頻率越高節能效果就最佳。