一種高精度的自激式多路輸出穩壓開關電源的設計

張 偉，曾 成，張 靜

（1.河北工業大學，天津 300401 ；2.中北大學，山西 太原 030051）

0 引 言

開關電源是一種利用開關功率器件并通過功率變換技術而制成的直流穩壓電源。它具有體積小、重量輕、效率高、對電網電壓及頻率的變化適應性強的特點。開關電源又被稱為高效節能電源，內部電路工作在高頻開關狀態，自身消耗的能量很低，一般電源效率可達80 %以上，比普通線性穩壓電源提高一倍。開關電源的主電路拓撲有很多種，從DC／DC 變換輸入與輸出間有無變壓器隔離，開關電源分為有變壓器隔離和無變壓器隔離，每類又有幾種拓撲，即Buck（降壓型）、Boost （升壓型）、Buck－Boost （升壓－降壓型）、Cuk（串聯式）及Sepic （并聯式）等；按激勵方式分，有自激式和它激式；按控制種類包括PWF（調頻式）、PWM（調寬式）、PAM（調幅式）和RSM（諧振式）4 種；按能量傳遞方式有連續模式和不連續模式。用的最多的是調寬式變換器。調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。若按開關管的開關條件可分為硬開關 （Hardswitching）和軟開關 （Softswitching）兩種。根據對開關電源的各種拓撲和控制方式的技術要求，工程實際的實現難易，電器性能及成本等指標的總結，本文選用有變壓器隔離的自激型反激式拓撲來實現這款多路輸出高精度的開關電源。

1 開關電源的原理

多路輸出高精度的開關電源原理如圖1 所示。

圖1 開關電源原理圖

一般開關電源由圖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、整流電路等構成。作用是把輸入電網交流電源轉化為符合電源輸入要求的直流電源。變換電路含開關電路、變壓器及RCD 吸收電路等，是開關電源能量變換的主通道。控制電路含取樣電路，本論文采用大阻值電阻分壓取樣，含基準電源，此處用TL431 產生2.5V 基準電源。此外還有誤差放大及脈沖驅動電路，取樣的誤差信號經光耦線性放大誤差信號同時反饋產生驅動開關管的矩形脈沖，達到調節輸出電壓的目的。輸出電路包含整流、濾波，把輸出電壓整流成脈動直流，并平滑成低紋波直流電壓。本論文實現的電源，具有設計簡單，體積小，效率高，紋波小及適用范圍廣的優點。

2 開關電源的設計與實現

多路輸出高精度的開關電源的主要設計要求如下：

輸入電壓：AC132 V～264 V

圖2 自激式多路輸出穩壓開關電源原理圖

輸入頻率：50／60 Hz

輸出四路電壓：U124 V／0.5 A、U2－9 V／0.8 A、U39 V／0.8 A、U45 V／3 A

輸出功率：40 W紋波電壓：≤100 mV負載調整率：≤3 %。

2.1 設計原理

圖2 是自激式多路輸出穩壓開關電源的原理圖。圖中 X1＿C1、X1＿C2、Y＿C1、Y＿C1及 L 組成 EMI 電路，用來濾除電網中的共模差模信號，同時避免開關電源對電網造成污染。L 為共模扼流圈，共模扼流圈是開關電源、變頻器、UPS 電源等設備中的一個重要部分。當工作電流流過兩個繞向相反的線圈時，產生兩個相互抵消的磁場，如果有共模干擾信號流過線圈時，線圈對共模信號即呈現出高阻抗，產生很強的阻尼效果，達到衰減干擾信號作用。X1＿C1、X1＿C2、Y＿C1及Y＿C2為安規電容，其中 X1＿C1與 X1＿C2為 X 安規電容，Y＿C1和Y＿C2為Y 安規電容，它們用在電源濾波器里，與L 起到電源濾波作用，分別對共模，差模工擾起濾波作用。安規電容的特性是電容器失效后，不會導致電擊穿，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、動作快和無續流等特點，被廣泛用于電子設備防雷。開關電源系統壓敏電阻相當于D 級防雷器，對于220 V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，開機時，220 V交流電經過整流后對大電容充電，而電容的特性是瞬間充電電流為最大，從而對前邊的橋和保險絲帶來沖擊，容易造成器件上電時損壞，為了提高電源設計的安全系數，常在保險之后加入電阻進行限流，電阻越大時，雖然限流效果好，但是電阻消耗的電能也是很大的，開關電源啟動后，限流電阻已沒有作用，反而浪費電力。為了達到較好限流效果而又省電，現在的開關電源經常采用負溫度熱敏電阻作限流使用，吸收浪涌電流。負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雜度，此處避免了使用繼電器等組成的防浪涌電路，經過試驗，達到了非常好的效果。變壓器 T，RCD（R2，C1，D1）吸收電路及開關管構成了此電源的能量轉換電路，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，又作為儲能器件。此變壓器采用EI 骨架，初級線圈電感量在1.2 ～1.3 mH 之間，在繞制變壓器時，自激繞組要靠外圈，初級繞組分兩組疊加，一組在內，一組在外，可防止磁通飽和影響電源效率。此變壓器屬于常規變壓器，不再多述，開關管的選取要注意漏源級的耐壓，最大工作電流，導通電阻，耗散功率及一些開關時間等。RCD 吸收電路的功能是吸收因變壓器初級繞組在工作時產生的自感電勢，避免在開關管集電極截止瞬間出現過高的反峰高電壓損壞開關管而設的。開關管工作時一直處于導通與截止，循環工作，所以吸收回路一直是有電流通過的，這個電流的大小隨開關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，就會降低開關電源的效率。然而，如R 值過大，MOS 管就存在著被擊穿的危險。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 為可調試精密并聯穩壓器，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 的頻率補償電路，可以提高TL43l 的瞬態頻率響應。關于反饋回路的設計，實際上就是確定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，因為這樣可以把輸出線性的反應到自激電路，可以由自激電路產生線性變化的脈沖，從而線性的反比例控制開關管的截止與導通。而目前國內常用的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，同時又能將輸出的變化線性的反應在自激控制電路中，容易線性的控制開關管的占空比。光耦合器的CTR 的允許范圍是50 %～200 %，這是因為當CTR＜50 %時，光耦中的輸入級就需要較大的工作電流，這會增大光耦的功耗。若CTR＞200 %，在啟動電路或者當負載發生突變時，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計要求。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。實際上除了限流保護作用外，它對控制回路的增益也具有重要影響。當R13改變時，會影響到光耦的輸入電流，然后影響光耦的輸出電流，進而影響開關管的占空比，也就相當于改變了控制回路的電流放大倍數。此電路中R13取100 Ω，在光耦輸入端和R13上并聯R14是為了在光耦輸入電流接近于0時，為了保證TL431 陰極不低于1 mA的工作電流而設置的。

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。三極管工作于開關狀態，開通與截止的時間受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現穩壓的工作過程。當輸出電壓Uo發生波動時，通過取樣電阻 R16、R17分壓后，就使TL431 上的光耦輸入電流If產生相應的變化，進而使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，進而改變了基極電壓Ub，改變了三極管的導通時間，從而改變了開關管的導通時間，即占空比D，使Uo產生了相反的變化，以保持Uo的穩定。上述穩壓過程可歸納為：Uo↑→If↑→Ic↑→Ib↑→Ub↑→D↓→Uo↓。如此一個循環后Uo下降，使電源達到穩定。

開關管電壓波形如圖3 。

圖3 開關管波形圖

圖3 是輸入AC220 V，輸出空載、半載及全載時，開關管漏極和源級兩點的輸出波形圖，示波器為10 倍衰減，圖形顯示縱坐標為5 V／div，橫坐標為2 μs／div。可見開關頻率隨負載的大小而反比例變化。

3 結束語

根據上述原理，進行了電源設計并制作了樣機，調試后性能穩定。如圖3 是電源輸入AC220 V，開關管漏源級在電源空載、半載及全載時的波形。表1 是在空載、半載及全載時所測的四路輸出電壓值。

表1 四路輸出實測結果

此電源電路簡單，自激電路設計新穎，所用元件少，效率達到82 %以上，紋波電壓90 mV，因此完全符合設計要求。此外開關管占空比與輸入交流電壓成正比，與頻率成反比。當電壓從低調到AC220 V 時，從示波器看開關管漏源極波形會發現開關頻率從不到100 kHz 上升至電源空載時圖3 中a圖所示的電源空載頻率300 kHz 。當電源工作于設計要求的電壓時，負載不隨輸入電壓變化，再從示波器看開關管漏源極波形時會發現，輸入電壓不變的時候，開關管的工作頻率與負載大小成反比。因而此電源能夠適應輸入與輸出寬范圍變化的工作環境。由于此電源工作于幾百千赫茲的頻率，效率比較高，所以要求開關管用高頻率開關管。此電源還可稍做修改，將TL431 改為TLV431 ，再把R16、R17換個阻值，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，分別將三端穩壓器改為7812 與7912 、7815 與7915 ，這樣可輸出±12 V，±15 V的電壓，此時電流不超0.6 A。此電源應用范圍廣，輸出電壓精度卻不低。

［1］趙同賀.開關電源設計技術與應用實例［M］.北京：人民郵電出版社 ，2007.

［2］楊 旭.開關電源技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］Christophe Basso.開關電源環路中的 TL431 ［J ］.電子設計應用，2009 ，7 ：97－102.

［4］Benjamin J Patella ，Aleksander Prodic ，Art Zirger ，and Dragan Maksimovic.High－Frequency Digital PWM Controller IC for DC－DC Converters ［J ］.IEEE Transactions on Power Electronics ，2003 ，4 ：438.

［5］漆逢吉.通信電源系統［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［6］劉勝利.現代高頻開關電源實用技術［M］.北京：電子工業出版社，2001.