寬調(diào)節(jié)開關(guān)電源可選擇的一種電路結(jié)構(gòu)

摘   要:  本文簡單概述了寬調(diào)節(jié)電源的發(fā)展,提出了采用開關(guān)電源構(gòu)成的一種寬調(diào)節(jié)電源電路的結(jié)構(gòu)、原理及基本設(shè)計要點。
概述
在電源應用中,常常希望電源輸出電壓調(diào)節(jié)寬，或者輸入電壓可適應很寬的范圍，或既有一定輸出電壓調(diào)節(jié)寬度，又能適應很寬的輸入電壓范圍。通常這類電源稱為“寬調(diào)節(jié)電源” 。在電源發(fā)展過程中，有多種方式可以實現(xiàn)這個目標，有的電路至今仍在使用。上世紀60年代開始，晶體管串聯(lián)方式的穩(wěn)壓電路已普遍使用，其缺點是串聯(lián)晶體管上的損耗比較大，當輸出電壓要求寬調(diào)節(jié)時, 調(diào)整的串聯(lián)晶體管上壓降變化很大，勢必引起很大的功率損耗，降低電源效率，結(jié)構(gòu)上需要大的散熱器, 增加了體積和重量。為了在輸出電壓調(diào)整時保持調(diào)整管壓降或?qū)⑺刂圃谛〉姆秶鷥?nèi)變化, 不至產(chǎn)生過大的損耗，最簡單的辦法是改變變壓器抽頭， 通過波段開關(guān)的選擇調(diào)整串聯(lián)穩(wěn)壓器輸入電壓, 以保持小的調(diào)整管壓降，達到輸出寬調(diào)節(jié)的目的。但是這種辦法輸出電壓調(diào)節(jié)的不連續(xù)和波段開關(guān)的不可靠性是它的缺點。后來，隨著開關(guān)電源的發(fā)展, 為了減少調(diào)整管上的損耗，采用降壓開關(guān)電路替代串聯(lián)穩(wěn)壓電路。 這種方式的寬調(diào)節(jié)電源在上世紀60年代末70年代初形成產(chǎn)品, 作為實驗室常用電源。但它的缺點依舊存在。
與此同時, 串聯(lián)穩(wěn)壓電路加前置調(diào)節(jié)的電路開始應用。 常采用的前置電路是移相式可控整流電路。整體電路有兩個相關(guān)的控制電路。可控整流電路的反饋信號取自串聯(lián)穩(wěn)壓器的調(diào)整管兩端, 它依據(jù)調(diào)整管兩端電壓變化來改變串聯(lián)穩(wěn)壓器的輸入電壓，這樣保證了串聯(lián)穩(wěn)壓器輸出大范圍變化時, 通過前置調(diào)節(jié)電路調(diào)整串聯(lián)穩(wěn)壓器輸入電壓， 保持調(diào)整管上的電壓不變,并將損耗限制在最小范圍內(nèi)。 這種方式的寬調(diào)節(jié)電源實現(xiàn)了連續(xù)調(diào)節(jié)，最大的優(yōu)點是保持了串聯(lián)調(diào)節(jié)電源紋波小和穩(wěn)定性高的特點, 至今還有大量應用。 其缺點是很難省去工頻變壓器而使體積和重量偏大，適合應用性實驗室。

圖1 二級單控的電路拓撲

圖2 降壓—半橋電路

單級開關(guān)電源實現(xiàn)寬調(diào)的限制
開關(guān)電源廣泛應用以后, 人們自然會想到開關(guān)電源是否可實現(xiàn)寬調(diào)節(jié)的目的。眾所周知，開關(guān)電源大多是采用恒工作頻率，PWM方式工作，即一周期內(nèi)控制功率管的導通比來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，導通比為:d=t_on/(t_on+t_off)     (1)

 其中，ton和toff分別為一周中導通時間和關(guān)閉時間，d<1。
對于降壓開關(guān)電路以及它演變的正激、半橋和全橋電路，其輸出均需應用LC濾波電路, 在理想條件下，輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系為:V_out=dV_in     (2)

Vout,Vin分別為輸出、輸入電壓, 從式(2)可以看出d實際上決定了輸出電壓和輸入電壓的比, 也反應了輸出和輸入可調(diào)范圍的能力。
在實際開關(guān)電源的設(shè)計中, 因為要考慮到電網(wǎng)的變化、負載變化以及負載變化引起輸入直流電壓變化等, 在額定的情況下，d一般選擇在0.5~0.6；低輸入電壓、滿負載及輸出上調(diào)10%的情況下, d可能達到0.9；相反，高輸入電壓、空載，輸出電壓下調(diào)10%的情況下，d可能達到0.2~0.3。 考慮必需的工作死區(qū),  d不能選擇過大,  d較小時工作時脈沖電流會增大。一般正激電路不可能達到輸出或輸入在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié), 通常在輸入電壓變化±20%， 輸出電壓可調(diào)±10%的范圍內(nèi)，正激開關(guān)電源可以得到較好的工作點和性能。
反激式開關(guān)電路的寬調(diào)也受到d的限制。但從反激電路的原理上分析,輸出功率和電感變壓器一個周期內(nèi)存貯能量成正比, 能量又與輸入電流成平方關(guān)系。與正激電路相比, 相同的d變化可得到更多的輸出功率變化，獲得比正激電路更寬的調(diào)節(jié)范圍。因此小功率的反激電路常用于輸入100~240VAC可變的開關(guān)電路中, 但是要求更大功率輸出時,由于功率管脈沖電流大, 變壓器效率低等原因，單端反激電路實現(xiàn)大功率輸出是比較困難的。
由上可知，單級開關(guān)電源的通導比不可能變化很大。所以，受導通比的限制，要實現(xiàn)寬調(diào)節(jié)是比較困難的。

二級單控開關(guān)電源的原理和設(shè)計要點
如何來拓寬通導比的變化而實現(xiàn)寬調(diào)節(jié)，本文提出了二級單控的電路拓撲，框圖如圖1所示，它采用二級主開關(guān)電路，前級一般可用降壓開關(guān)電路，后級可任意選擇單端、半橋或橋式電路，二級開關(guān)電路用同一個控制電路，也就是控制電路產(chǎn)生的脈沖調(diào)寬訊號分別控制兩級開關(guān)，因此兩級開關(guān)的驅(qū)動脈沖寬度是相同的，這樣輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系為
    (3)
由式(3)可知，兩級單控的電路拓撲，輸入和輸出的變化和d2成正比，也就是說和單級電路相比，同樣Δd變化可得到更大的輸入和輸出比，大大拓寬了調(diào)節(jié)范圍。
下面以前級為降壓開關(guān)，后級為半橋開關(guān)的電路為例(見圖2)，簡要地說明電源設(shè)計要點。
設(shè)電源輸入電壓上限為Vin+ 、下限Vin-，輸出電壓上限為Vout+、下限Vout-，n為變壓器T的變比，Vd為輸出整流管壓降，Vl為線路壓降。
?首先根據(jù)輸入下限、輸出上限和滿載，確定變壓器的變比n：
   (4)
K為電路系數(shù)，半橋電路為2，其它電路為1，一般dmax可選擇0.9~0.95，單端可選擇0.45~0.48。
?根據(jù)輸入電壓上限、輸出電壓下限計算d值：
   (5)
一般希望dmin不小于0.2，因為d在0.9~0.2的范圍內(nèi)開關(guān)電源的工作參數(shù)是比較好的。
?校對空載時最小d值：
   (6)
因為輸入電壓通常采用整流濾波得到，輕載濾波電壓會升高，ΔUin反映了整流濾波電路空載和負載的壓差，實際應用結(jié)果d值一般不小于0.08。
?變壓器最大電壓的確定，以此確定變壓器參數(shù)。
首先算出額定情況的導通比dh
  (7)
根據(jù)dh計算出額定工作情況的變壓器原邊工作電壓
  (8)
根據(jù)VTh和n就可確定原幅邊匝數(shù)及計算變壓器和電路的其他參數(shù)。

設(shè)計舉例
以圖2電路為依據(jù)，設(shè)計最大輸出為500W的電路。輸入187~242VAC，輸出2~50VDC可調(diào)，電流為10 A。計算步驟如下：
?確定變壓器變比n：
設(shè)187VAC時經(jīng)整流濾波后得到直流為Vin-=180VDC，選擇dmax=0.9，Vd=1V，Vl=1V，

?最小dmin計算:
設(shè)輸入電壓242VAC時經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓為280V，輸出電壓為2 V。

?空載時d值：
空載、輸入電壓Vin=242VAC時，經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓為320V，輸出2V。

?確定變壓器的計算電壓:
首先確定額定工作時的導通比dh

根據(jù)dh計算出額定工作情況的變壓器原邊工作電壓

依據(jù)變壓器的匝比n和工作電壓VTh就可以計算變壓器的參數(shù)。

結(jié)語
從以上的實例計算中可以看到，設(shè)計電源的輸入從187~242VAC變化，輸出可調(diào)范圍為2V~50V，d值在0.2~0.9的范圍的變化，該電路設(shè)計可以保證電路各參數(shù)在比較好的狀態(tài)下工作，這樣的結(jié)果單級開關(guān)是不可能達到的，由此也證明了二級單控電路的結(jié)構(gòu)完全可以實現(xiàn)寬范圍調(diào)節(jié)的要求，是一種相對簡單和實用的電路結(jié)構(gòu)。