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(jì)
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(gè)常用元件實(shí)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(duì)電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。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(dá)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?fù)溆泻芏喾N,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?fù),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(lì)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(duì)開關(guān)電源的各種拓?fù)浜涂刂品绞降募夹g(shù)要求,工程實(shí)際的實(shí)現(xiàn)難易,電器性能及成本等指標(biāo)的總結(jié),本文選用有變壓器隔離的自激型反激式拓?fù)鋪韺?shí)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?刂齐娐泛与娐罚菊撐牟捎么笞柚惦娮璺謮喝,含基準(zhǔn)電源,此處用TL431 產(chǎn)生2 。5V 基準(zhǔn)電源。此外還有誤差放大及脈沖驅(qū)動(dòng)電路,取樣的誤差信號(hào)經(jīng)光耦線性放大誤差信號(hào)同時(shí)反饋產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的矩形脈沖,達(dá)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(dòng)直流,并平滑成低紋波直流電壓。本論文實(shí)現(xiàn)的電源,具有設(shè)計(jì)簡單,體積小,效率高,紋波小及適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
2 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
多路輸出高精度的開關(guān)電源的主要設(shè)計(jì)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(fù)載調(diào)整率:≤3 %.
2 .1 設(shè)計(jì)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(hào),同時(shí)避免開關(guān)電源對(duì)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(gè)重要部分。當(dāng)工作電流流過兩個(gè)繞向相反的線圈時(shí),產(chǎn)生兩個(gè)相互抵消的磁場,如果有共模干擾信號(hào)流過線圈時(shí),線圈對(duì)共模信號(hào)即呈現(xiàn)出高阻抗,產(chǎn)生很強(qiáng)的阻尼效果,達(dá)到衰減干擾信號(hào)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(duì)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(huì)導(dǎo)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(dòng)作快和無續(xù)流等特點(diǎn),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(dāng)于D 級(jí)防雷器,對(duì)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(jī)時(shí),220 V交流電經(jīng)過整流后對(duì)大電容充電,而電容的特性是瞬間充電電流為最大,從而對(duì)前邊的橋和保險(xiǎn)絲帶來沖擊,容易造成器件上電時(shí)損壞,為了提高電源設(shè)計(jì)的安全系數(shù),常在保險(xiǎn)之后加入電阻進(jìn)行限流,電阻越大時(shí),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(dòng)后,限流電阻已沒有作用,反而浪費(fèi)電力。為了達(dá)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(fù)溫度熱敏電阻作限流使用,吸收浪涌電流。負(fù)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(fù)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(yàn),達(dá)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(chǔ)能器件。此變壓器采用EI 骨架,初級(jí)線圈電感量在1 .2 ~1 .3 mH 之間,在繞制變壓器時(shí),自激繞組要靠外圈,初級(jí)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(jí)的耐壓,最大工作電流,導(dǎo)通電阻,耗散功率及一些開關(guān)時(shí)間等。RCD 吸收電路的功能是吸收因變壓器初級(jí)繞組在工作時(shí)產(chǎn)生的自感電勢(shì),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(shí)一直處于導(dǎo)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(gè)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(huì)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(xiǎn)。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(bǔ)償電路,可以提高TL43l 的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。關(guān)于反饋回路的設(shè)計(jì),實(shí)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?yàn)檫@樣可以把輸出線性的反應(yīng)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(dǎo)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(shí)又能將輸出的變化線性的反應(yīng)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?yàn)楫?dāng)CTR<50 %時(shí),光耦中的輸入級(jí)就需要較大的工作電流,這會(huì)增大光耦的功耗。若CTR>200 %,在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí),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(jì)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(shí)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(shí)際上除了限流保護(hù)作用外,它對(duì)控制回路的增益也具有重要影響。當(dāng)R13改變時(shí),會(huì)影響到光耦的輸入電流,然后影響光耦的輸出電流,進(jìn)而影響開關(guān)管的占空比,也就相當(dāng)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(shí),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(shí)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的工作過程。當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí),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(yīng)的變化,進(jìn)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(jìn)而改變了基極電壓Ub ,改變了三極管的導(dǎo)通時(shí)間,從而改變了開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)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(gè)循環(huán)后Uo下降,使電源達(dá)到穩(wěn)定。
圖3 是輸入AC220 V,輸出空載、半載及全載時(shí),開關(guān)管漏極和源級(jí)兩點(diǎn)的輸出波形圖,示波器為10 倍衰減,圖形顯示縱坐標(biāo)為5 V/div,橫坐標(biāo)為2 μs/div。
可見開關(guān)頻率隨負(fù)載的大小而反比例變化。
3 結(jié)束語
根據(jù)上述原理,進(jìn)行了電源設(shè)計(jì)并制作了樣機(jī),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(jí)在電源空載、半載及全載時(shí)的波形。表1 是在空載、半載及全載時(shí)所測的四路輸出電壓值。
表1 四路輸出實(shí)測結(jié)果
此電源電路簡單,自激電路設(shè)計(jì)新穎,所用元件少,效率達(dá)到82 %以上,紋波電壓90 mV,因此完全符合設(shè)計(jì)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(dāng)電壓從低調(diào)到AC220 V 時(shí),從示波器看開關(guān)管漏源極波形會(huì)發(fā)現(xiàn)開關(guān)頻率從不到100 kHz 上升至電源空載時(shí)圖3 中a圖所示的電源空載頻率300 kHz 。當(dāng)電源工作于設(shè)計(jì)要求的電壓時(shí),負(fù)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(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn),輸入電壓不變的時(shí)候,開關(guān)管的工作頻率與負(fù)載大小成反比。因而此電源能夠適應(yīng)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(gè)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(shí)電流不超0。6 A。此電源應(yīng)用范圍廣,輸出電壓精度卻不低。
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