實(shí)用小功率開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

實(shí)用小功率開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)1電路結(jié)構(gòu)選擇開關(guān)穩(wěn)壓電源與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源相比具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。為使電源結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，工作可靠、減少成本，小功率開關(guān)穩(wěn)壓電源常采用單端反激型或單端正激型電路。與單端反激型相比，單端正激型開關(guān)電流小、輸出紋波小、更容易適應(yīng)高頻化。用電流型PWM控制芯片UC3843構(gòu)成的單端正激型開關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路如圖1所示。圖1主電路的結(jié)構(gòu)實(shí)用的單端正激型開關(guān)穩(wěn)壓電源必須加磁通復(fù)位電路，以泄放勵(lì)磁電路的能量。如圖1所示，開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)D1導(dǎo)通，副邊線圈N2向負(fù)載供電，D4截止，自饋電線圈Nf電流為零；Q關(guān)斷時(shí)D1截止，D4導(dǎo)通，Nf經(jīng)電容C1濾波后向UC3843供電，同時(shí)原邊線圈N1上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使D3導(dǎo)通，并加在RC上。由于變壓器中的磁場能量可通過Nf泄放，而不像一般的RCD磁通復(fù)位電路消耗在電阻上，這可減少發(fā)熱，提高效率。2電源技術(shù)規(guī)格輸入電壓：AC110/220V；輸入電壓變動(dòng)范圍：90V~240V；輸入頻率：50/60Hz；輸出電壓：12V；輸出電流：2.5A；工作頻率的選擇：UC3843的典型工作頻率為20kHz?500kHz。開關(guān)頻率的選擇決定了變換器的許多特性。開關(guān)頻率越高,變壓器、電感器體積越小，電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也越好。但隨著頻率的提高，諸如開關(guān)損耗,門極驅(qū)動(dòng)損耗，輸出整流管的損耗會(huì)越來越突出，而且頻率越高，對(duì)磁性材料的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)要求會(huì)越苛刻，另外，高頻下線路的寄生參數(shù)對(duì)線路的影響程度難以預(yù)料，整個(gè)電路的穩(wěn)定性，運(yùn)行特性以及系統(tǒng)的調(diào)試會(huì)比較困難。本電路中，選R=1.8k,C=10。由UC3843A定時(shí)電阻，電容與振蕩器頻率的關(guān)系曲線圖，可得開關(guān)頻率為f=85kHz，周期T=11.8；占空比：設(shè)計(jì)無工頻變壓器的單端正激型開關(guān)電源時(shí)，一般占空比D最大不超過0.5,這里選擇Dmax=0.5。貝ijT max=TDmax=5.9s3電源設(shè)計(jì)31變壓器和輸出電感的設(shè)計(jì)根據(jù)電源規(guī)格、輸出功率、開關(guān)頻率，選擇PQ26/25磁芯，磁芯截面積Se=1.13cm2,磁路有效長度le=6.4cm,磁芯材料為MXO2000,飽和磁通密度Bs=0.4T。取變壓器最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax=Bs/3=0.133T則電感系數(shù)AL值為：AL=0.4 Se/le-6104.44 H/N2變壓器原邊線圈匝數(shù)為：Ni=UIminxTonmax/BmaxxSe式中Ulmin為最小直流輸入電壓。考慮到交流輸入電壓為iioV±2O%,則交流輸入電壓最小值約為90V，即UImin=90x=127V。代入得Ni=49.9,取50匝。原邊線圈電感為：L1=N12AL=ii.imH。副邊線圈匝數(shù)為：N2=式中UDF、UL分別為整流二極管D1和輸出電感L上的壓降，取UDF+UL=0.7V,代入得N2=10匝。副邊線圈電感為：L2=N22AL=444H開關(guān)管斷開時(shí)N1兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為了保證開關(guān)管正常工作川將感應(yīng)電勢(shì)限制到eL300V自饋電線圈要向UC3843提供VCC=12V工作電壓，按電容Ci上電壓UCi=i6V考慮，可保證足夠供電給UC3843，由Nf=(Uci/eL)Ni可得Nf=2.67取3匝。變壓器副邊電流為矩形波，其有效值l2=Io=i.77A，導(dǎo)線電流密度取4A/mm2,所需導(dǎo)線截面為i.77/4=o.44mm2,選用截面積為0.1521mm2的導(dǎo)線(。.49三根并繞。同樣可選擇原邊導(dǎo)線，原邊電流有效值11=1。=。.3544所需導(dǎo)線截面為。.354/4=。.。885mm2,選用截面積為0.09621mm2的導(dǎo)線(041。取輸出電感的電流變化IL=0.2lo=0.5A則J輸出電感為：L=Tonmax式中U2min為副邊線圈最小電壓,U2min=(Uo+UDF+UL)/Dmax=25.4V，取UDF=0.5V，U。max=13V,代入可得L=140H根據(jù)輸出電感上電流IL=I。，所需導(dǎo)線截面應(yīng)為：2.5/4=0.625mm2，選擇截面積為0.6362mm2的導(dǎo)線(096132開關(guān)管、整流二極管、續(xù)流二極管的選擇由于開關(guān)管斷開時(shí)原邊線圈N1兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)限制到eL300V輸入交流電壓經(jīng)全波整流電容濾波后，直流輸入電壓的最大值UImax=240x=339V，所以整流二極管所承受的最高反向電壓UD1P=eL(N2/N1)=60V，續(xù)流二極管所承受的最高反向電壓UD2P=UImax(N2/N1)=68V。流過整流二極管和續(xù)流二極管的最大電流ID1P=ID2P=1。+0.5IL=2.75A根據(jù)以上計(jì)算選擇肖特基半橋MBR20100CT,平均整流電流20A,反向峰值電壓100V。開關(guān)管承受的最大電壓Udsp=339+300=639V。變壓器勵(lì)磁電流的最大值ITrP=(UImax/L1)Tonmax=180mA,開關(guān)管最大電流IdsP=(ID1PN2/N1)+ITrP=0,73A°根據(jù)以上計(jì)算，選用功率MOSFET2SK792，漏源擊穿電壓BVDS=900V，最大漏極電流IDmax=3A。33反饋電路的設(shè)計(jì)電流反饋電路采用電流互感器檢測開關(guān)管上的電流，原理如圖2所示。電流互感器的輸出分為電流瞬時(shí)值反饋和電流平均值反饋兩路,R2上電壓反映電流瞬時(shí)值，開關(guān)管上的電流增大會(huì)使UR2增大，當(dāng)UR2大于1V時(shí)，UC3843芯片輸出脈沖關(guān)斷。調(diào)節(jié)R1、R2分壓比可改變開關(guān)管的限流值，實(shí)現(xiàn)電流瞬時(shí)值的逐周期比較，這屬于限流式保護(hù)。輸出脈沖關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流平均值的保護(hù)，這屬于截流式保護(hù)。兩種過流保護(hù)互為補(bǔ)充，使電源更為安全可靠。采用電流互感器采樣使控制電路與主電路隔離，同時(shí)與電阻采樣相比降低了功耗，有利于提高整個(gè)電源的效率。電壓反饋電路如圖3所示，輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器TL431和光耦反饋到UC3843(1)腳，調(diào)節(jié)R1、R2分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓Uo升高，集成穩(wěn)壓器TL431陰極到陽極的電流增大，使光耦輸出三極管電流增大即UC3843(1)腳對(duì)地的分流變大，UC3843輸出脈寬相應(yīng)變窄，輸出電壓Uo減小。同樣地，如果輸出電壓Uo減小，可通過反饋調(diào)節(jié)使之升高。

接I噌防TI抬1_IJC3S-I.U3)TL431接I噌防TI抬1_IJC3S-I.U3)TL431I圖3電壓反饋電路皆R<圖4變壓器過熱保護(hù)電路5圖5輸出過電壓保護(hù)電路U'.3S43jL：圖2電流反饋電路■此圖7輸入濾波電路34保護(hù)電路的設(shè)計(jì)圖4為變壓器過熱保護(hù)電路，R3=R4,NTC為粘貼在變壓器上的負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，常溫下RNTCR2，運(yùn)放U1構(gòu)成滯環(huán)比較器。正常工作時(shí)，NTC阻值較大，運(yùn)放U+<U—,輸出為零；當(dāng)溫度上升到設(shè)定值時(shí)，運(yùn)放U1輸出為高電平，送到PWM控制芯片使輸出脈沖關(guān)斷。圖5為輸出過電壓保護(hù)電路。穩(wěn)壓管DZ的擊穿電壓稍大于輸出電壓額定值，輸出正常時(shí)，DZ不導(dǎo)通，晶閘管V門極電壓為零，不導(dǎo)通。當(dāng)輸出過壓時(shí)DZ擊穿，V受觸發(fā)導(dǎo)通，使光耦輸出三極管電流增大，通過UC3843控制開關(guān)管關(guān)斷。圖6為空載保護(hù)電路。為了防止變壓器繞組上電壓過高，同時(shí)也為了使電源從空載到滿載的負(fù)載效應(yīng)較小，開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出端一般不允許開路。圖6中R2R3,給運(yùn)放同相輸入端提供固定的小電壓U+。R8為取樣負(fù)載電流的分流器，當(dāng)外電路未接負(fù)載RL時(shí)，R8上無電流，運(yùn)放反相輸入端電壓U—=0,因而U+>U—,運(yùn)放輸出電壓較高，使三極管V1飽和導(dǎo)通，將電源內(nèi)部的假負(fù)載R7自動(dòng)接入。當(dāng)電源接入負(fù)載RL時(shí),R8上的壓降使U—>U十,運(yùn)放輸出電壓為零,V1截止，將R7斷開。35輸入濾波電路的設(shè)計(jì)輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號(hào),同時(shí)也防止開關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號(hào)影響交流電網(wǎng)。電路如圖7所示，是一種復(fù)合式EMI濾波器，L1、L2和C1構(gòu)成第一級(jí)濾波，共模電感TR和電容C2、C3進(jìn)行第二級(jí)濾波。C1主要用來濾除差模干擾，選用高頻特性較好的薄膜電容。電阻R給電容提供放電回路，避免因電容上的電荷積累影響濾波器的工作特性。C2、C3跨接

MIMean:JOflrtWJMleMeaii;3S,42VV!TukSE3張砧. ?y即MIMean:JOflrtWJMleMeaii;3S,42VV!TukSE3張砧. ?y即圖8空載時(shí)輸入功率波形amnjmvvI圖9半載時(shí)輸入功率波形rslHES-KS.^i,原盧鄧,ffHII3KiW1的5圖11漏極電壓Uds波形在輸出端，能有效抑制共模干擾4實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了減小漏電流C2、C3宜選用陶瓷電容器。Ml:7ZO3-VV：Ml:JJEWY-H.frwsigM-^□1|ilik-uc"圖10滿載時(shí)輸入功率波形Tck3HB-M^,學(xué)］竺匕 圖8?圖10為輸入電壓220V的條件下，輸出端的負(fù)載狀況分別為空載、半載和全載時(shí)，輸入端的功率波形圖。由這3個(gè)圖可以看出，輸入功率是個(gè)脈沖序列，周期為10ms,即每半個(gè)工頻周期電源輸入端通過整流橋?yàn)檩斎肫交瑸V波電容充一次電。測量輸入功率時(shí)串聯(lián)于輸入端的采樣電阻為2.0,因此功率為圖示值除以2。半載時(shí)輸出功率為：12.3662/io=15.29W，全載時(shí)輸出功率為：12.2552/5=30.04W。電路正常工作時(shí)，漏極電壓波形如圖11所示。（1）輸出電壓在各種不同的負(fù)載狀況下，當(dāng)輸入電壓從90V變化到250V時(shí)，相應(yīng)輸出電壓測試結(jié)果如表1所示：表1各種負(fù)載狀況下的輸出電壓輸入電壓（V）輸出電壓（V）空載半載（10）滿載（5）9012.45512.36012.24211012.45912.36812.24722012.46712.37512.25525012.47112.38112.262（2）效率實(shí)測各種負(fù)載狀況下的效率如表2所示。表2各種負(fù)載狀況下的效率負(fù)載空載半載（10）滿載（5）輸入功率（W）30020033602輸出功率（W）015293004效率（％）076348340（3）輸出紋波電壓實(shí)測輸出紋波電壓峰峰值半載時(shí)為40mV；滿載時(shí)為50mV。5結(jié)語介紹了一種實(shí)用的30W