一種自激式高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

田東強(qiáng)，姚 毅，熊永勝，張咪咪

（四川理工學(xué)院 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川 自貢643000）

0 引 言

開(kāi)關(guān)電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多種多樣，主要分為以下幾大類(lèi)：按是否隔離可分為隔離式和非隔離式，隔離式主要在變換器中應(yīng)用變壓器進(jìn)行能量隔離傳輸，非隔離式主要應(yīng)用電感作為儲(chǔ)能和釋放能量的載體來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；按能量傳送方式主要分為連續(xù)式和非連續(xù)式；按開(kāi)關(guān)方式可分為硬開(kāi)關(guān)方式和軟開(kāi)關(guān)方式，軟開(kāi)關(guān)方式不僅可降低開(kāi)關(guān)的損耗，還可以降低電磁干擾，優(yōu)點(diǎn)突出，成為主流的開(kāi)關(guān)方式；按控制方式主要分為調(diào)頻式、調(diào)幅式、調(diào)寬式和自激式。應(yīng)用最多的是調(diào)寬式，通過(guò)改變脈沖寬度控制電壓大小。調(diào)頻式由于其頻率可變，而磁性元件的性能又有一定的頻率適用范圍，所以對(duì)磁性元件的設(shè)計(jì)要求比較高。本文設(shè)計(jì)了一款小功率電源，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、紋波小。

1 開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓原理

1.1 開(kāi)關(guān)電源基本電路

開(kāi)關(guān)電源的調(diào)制方式多種多樣，大多數(shù)會(huì)采用脈寬調(diào)制方式，此方式控制簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)電源的基本電路框圖如圖1所示。

交流輸入經(jīng)過(guò)整流器得到直流電壓，直流電壓經(jīng)過(guò)高頻變換器得到所需的方波電壓，然后再經(jīng)過(guò)整流濾波得到所需的直流電壓。采樣器采取輸出電壓電流變化后和比較器基準(zhǔn)電壓比較來(lái)控制調(diào)節(jié)器，進(jìn)而控制高頻變換器，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

圖1 開(kāi)關(guān)電源基本電路框圖

1.2 TL431的簡(jiǎn)介

TL431是目前應(yīng)用極廣泛的器件，它的各項(xiàng)指標(biāo)均很出色。此器件是有著良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置從Uref（2.5 V）到36 V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，應(yīng)用廣泛。其特點(diǎn)為：

（1）可編程輸出電壓為36 V，電壓參考誤差：±0.4%。

（2）低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，典型0.22Ω。

（3）負(fù)載電流能力1.0 mA～100 mA。

（4）等效全范圍溫度系數(shù)50 pp m／℃，溫度補(bǔ)償操作于全額定工作溫度范圍。

（5）低輸出噪聲電壓。

其常見(jiàn)的封裝如圖2，內(nèi)部方框圖如圖3。

1.3 電路硬件模塊

電路硬件模塊圖如圖4。

（1）高頻變換電路部分：將直流變成高頻交流，這是電源的關(guān)鍵部分。開(kāi)關(guān)頻率越高，相同條件下磁芯的體積就可以越小，但是高頻開(kāi)關(guān)引起的電磁干擾也將增大。

圖2 TL431封裝引腳圖

圖3 TL431內(nèi)部方框圖

圖4 電路硬件模塊圖

（2）倍壓模塊部分：主要是將經(jīng)過(guò)高頻變換器得到的高頻交流電通過(guò)二極管和電容構(gòu)成的倍壓電路使電壓得以提升，并得到整流后的直流電壓。

（3）輸出整流濾波部分：主要是將經(jīng)倍壓模塊得到的脈動(dòng)直流電壓進(jìn)行濾波，得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。

（4）反饋控制部分：主要通過(guò)電壓采樣和電流采樣部分來(lái)控制電源的穩(wěn)定，形成過(guò)壓調(diào)節(jié)和過(guò)流保護(hù)。

2 主電路工作原理

單路輸出高精度開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

輸入電壓5 V；輸入電流20 mA；輸出電壓 －800 V；輸出電流0.02 mA；紋波電壓20 mV。

圖5 電路工作原理圖

當(dāng)電源VCC開(kāi)通5 V電壓時(shí)，直流電壓經(jīng)過(guò)限流電阻R1，通過(guò)R2、R3和 R4、R5為 Q1和 Q2設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，通過(guò)線圈T3耦合為Q1提供高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)作用于Q1，使Q1工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，直流電壓變?yōu)楦哳l交流電壓。由于所需電流很小，這里選用倍壓電路進(jìn)行電壓抬升［1］，而不選用提高特拉斯線圈匝數(shù)來(lái)提升電壓，這樣既可以減少線圈的繞線匝數(shù)，減小磁芯的體積，提高功率密度，又可以得到直流輸出，省去整流電路。高頻交流電壓經(jīng)過(guò)二極管D1、D2、D3、D4和電容C5、C6、C7、C8構(gòu)成的四倍壓電路模塊，可以使電壓升高到所需要的值。

輸出濾波部分，這里選用兩級(jí)RC濾波電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，可以使輸出紋波電壓降到20 mV。

反饋控制部分，本電路的電壓反饋控制電路主要采用兩個(gè)TL431和Q2構(gòu)成的反饋控制電路，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R12，可控制輸出電壓的值。C10為濾波電容，穩(wěn)定參考電壓。當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí)，通過(guò)TL431電壓比較，并作用于Q2使其開(kāi)通，減少Q(mào)1的開(kāi)通時(shí)間，降低了輸出電壓，形成過(guò)壓保護(hù)。選用TL431和Q2作為反饋控制電路元件，可以省去部分集成比較器和特定功能的控制芯片，降低了電路的成本。

過(guò)流保護(hù)電路，此電路主要是在回路中加入采樣電阻，通過(guò)其壓降的變化，配合Q3為電路提供過(guò)流保護(hù)。C 為濾波電容，當(dāng)回路中電流過(guò)大時(shí)，采樣電阻的電壓值升高，作用于Q3的基極，當(dāng)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，促使Q3導(dǎo)通，使Q1基極電位降低，減小其導(dǎo)通時(shí)間，降低輸出電壓。

為了降低高頻開(kāi)關(guān)的電磁干擾，本設(shè)計(jì)磁芯選用罐狀磁芯，T1、T2和 T3之比為11：500：4，可以有效抑制高頻的開(kāi)關(guān)干擾。

3 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)上述工作原理，進(jìn)行了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)并制作了樣機(jī)，調(diào)試完成后的電源指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。輸入電壓可達(dá)3.5 V，單路輸出電壓－800 V，最高可達(dá)－1 200 V，輸入電流20 mA，輸出電流0.02 mA，紋波電壓不大于20 mV，具有短路保護(hù)功能。制成并放置于一個(gè)長(zhǎng)3 c m、寬2.5 c m、高2 c m的小金屬盒內(nèi)，電源工作性能穩(wěn)定。

［1］ 謝嘉奎.電子線路［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［2］ 劉傳洋，劉景景.RCC自激變換器的分析與設(shè)計(jì)［J］.通信電源技術(shù)，2012，29（1）：29－32.

［3］ 喻建軍.具有無(wú)損耗緩沖電路的軟開(kāi)關(guān)雙管正激式變換器［J］.通信電源技術(shù)，2001，18（4）：4－7.

［4］ 張金波，李 俊，宋培卿，陸 昊.一種自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2003，19（5）：52－53.