一種自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計 - 全文

1? 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(yīng)性強、輸出電壓保持時間長、有利于計算機信息保護(hù)等優(yōu)點,因而廣泛應(yīng)用于以電子計算機為主導(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.

2? 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

3?? 工作原理

　　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(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)通與截止時間(即占空比),使得輸出電壓保持穩(wěn)定.

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圖1?? 開關(guān)電源的工作原理圖

4? 開關(guān)電源的設(shè)計

　　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,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脈沖使Q1導(dǎo)通,直流輸入高頻變壓器的原邊兩端,此時因副邊是上負(fù)下正,使整流二極管截止;當(dāng)驅(qū)動脈沖為低電平使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負(fù)載釋放.因此單端反激式變換器只是在原邊Q1導(dǎo)通時儲存能量,當(dāng)它截止時才向負(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,又是電感儲能元件.

　　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,決定自動重啟動頻率,C9和R4一起對控制回路進(jìn)行補償,同時C9和R4還起原邊快速復(fù)位的作用,能有效的保護(hù)開關(guān)管不被損壞.

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?????????????????????????? 圖2?? 開關(guān)電源電路圖

4.1 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點和C點電壓的高低來控制主功率開關(guān)管Q1導(dǎo)通和截止的時間(即占空比的大小).當(dāng)Q1截止時A點為高電平,C5對Q1放電,使B點電位迅速提高,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C5進(jìn)行充電.而此時的電流為變壓器原邊電流與Q1導(dǎo)通時的電流之和,所以流經(jīng)R5的電流值很大,C點電位升高,飽和導(dǎo)通使A點電位下降,Q1也就截止.

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

　　Q1導(dǎo)通時,繞組N2上正下負(fù),C10吸收剛放電時的尖峰電壓,防止二極管D10正向?qū)〒p壞,D10正向?qū)?使B點電位升高,從而使Q1更快飽和導(dǎo)通.同時Q2導(dǎo)通,再使Q3也導(dǎo)通,B點電壓下降,原邊線圈電流減小至截止.這時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點電位降低,截止時間變短,而TL431反饋電流使流入Q4基極的電流就會減小,C點電位就下降得慢,截止時間變長.Q1導(dǎo)通時,TL431反饋電流決定C點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)載空載時電壓太高,用于提高輕載時的電壓調(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.

4.3 高頻變換器部分

　　由于高頻變壓器原邊在單位時間里提供的功率與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)管本身條件的限制.所以改變原邊繞組匝數(shù)是一個比較好的方法,原邊線圈繞組寬度不要太長,而將其分為多層,每一層的接入都用一個開關(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時間內(nèi)要使高頻變壓器的原邊磁通復(fù)位,在ton時間內(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,磁通沒有回到周期開始的起點,則變壓器磁芯內(nèi)的磁通就會逐漸增加,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的時間適當(dāng),不能太長,否則使開關(guān)管的頻率變低,同時與高頻變壓器原邊與副邊繞組的匝數(shù)有關(guān).

4.4 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.

5? 結(jié)? 論

　　根據(jù)上述原理,進(jìn)行了設(shè)計并制造了樣機,調(diào)試后性能穩(wěn)定.該電路的特點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.

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