Sepic直流穩壓器的設計

宋連慶，宋淑淑

（西安工程大學 陜西 西安 710048）

電子設備正常工作需要良好穩定的直流電源，現如今大部分外部供電電源是交流電，通常由火力發電、水力發電、核子發電及風力發電獲得。所得交流電源通過直流穩壓器轉換為電子設備所需各類別直流電源，供其使用。當電網或負載變化時，直流穩壓電源能保持穩定的輸出電壓，且紋波較小[1]。穩壓電源自半個多世紀發展以來，技術已日趨成熟，近20年來，集成開關電源沿兩個方向發展；第一個方向是對開關電源的控制電路實現集成化。第二個方向是實現中、小功率開關電源單片集成化。市場上穩壓電源產品種類繁多，且大都滿足效率高、輸出穩定、可靠性高等特性。大多數采用高頻變壓器，其成本相對高。該直流穩壓器采用Sepic和Buck電路為主電路，輔助電源采用高頻變壓器，充分利用現代電力電子技術，在滿足可靠性、穩定性前提下，寬范圍輸入交流電源時輸出穩定的直流電壓，且成本相對低，易于調試及維修。

1 系統原理設計

交流輸入電壓經過輸入保護電路中的整流濾波產生的高壓直流既作為輔助電源的輸入電壓，進而提供芯片工作電壓；又是 DC－DC/DC－DC 變換器的輸入電壓，DC－DC/DCDC變換器是進行功率變換的器件，是開關電源的核心[2]，DC－DC/DC－DC變換器輸出電壓經過反饋電路進行取樣與設定參考電壓比較，調節PWM占空比的大小，進而調節輸出電壓，使其保持穩定。輸出帶有過壓過流保護電路，當電壓電流過大時關斷PWM信號，無電壓輸出。其系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Schematic diagram of the system

2 輸入保護電路的設計

輸入保護部分主要有壓敏電阻RV，熱敏電阻RT，保險管，濾波線圈L0，和整流橋及濾波電容C16組成，壓敏電阻RV用于交流輸入的過壓保護，即浪涌吸收。濾波線圈L0及電容C0構成了EMI，濾除噪聲干擾。選擇整流橋器件時時，要考慮可承受足夠的反向耐壓，沖擊電流要大于額定整流電流的7～10倍。熱敏電阻RT是具有負溫度特性（NTC）電阻，限制啟動時C16的充電電流峰值，啟動過后，該電阻阻值會降到很小，其消耗的功率基本可忽略不計。其電路圖如圖2所示。

圖2 輸入保護電路與輔助電源電路原理圖Fig.2 Input protection circuit and auxiliary power circuit diagram

3 輔助電源的設計

所設計的Sepic直流穩壓器正常工作時，需要為PWM控制芯片及隔離驅動提供兩路獨立電源。輔助電源采用單端反激式電路，其控制性芯片采用PI公司的TOPSwitch II系列，該器件各集種控制功能、保護功能及耐壓700 V的功率開關MOSFET于一體，具有前沿消隱設計，自動重啟動功能，低電磁干擾性（EMI），電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制等顯著特點[3]。考慮到PWM控制芯片和隔離芯片工作時功率較低，選用TOP221Y，在寬范圍輸入電源電壓下，其功率輸出為7 W，足以滿足要求。輔助電源的電路圖如圖2所示，原理分析所下：

交流電源通過全橋整流，電容濾波作為輔助電源的供電電源，CT1用于濾除干擾。在MOSFET關斷期間由于高頻變壓器漏感的存在其漏感電壓很高，為保護變壓器不受其損壞，在這里選擇快恢復二極管VD1與瞬態抑制器TVS組成鉗位電路，用于吸收漏感電壓，保護原理分析如下：當MOSFET導通時，此時VD1兩端電壓為上正下負，VD1截止，鉗位電路不工作；當MOSFET截止時，由于漏感存在，VD1兩端電壓變為上負下正，此時VD1導通，鉗位保護電路工作，電壓得到限制。反饋回路主要有光電耦合器PC817與三端穩壓器TL431及若干電阻、電容構成，線性光耦合器PC817的電流傳輸比（CTR）范圍為80%-160%，能較好地滿足反饋回路的要求。電阻R30、R43分壓作為TL431基準電壓，通過設定R30、R43的阻值可以得到所需輸出電壓的穩壓值。C25作為TL431的頻率補償電容，可以提高TL431的瞬態頻率響應。R50為PC817的LED限流電阻，起到限流保護的作用。反饋回路實現輸出穩壓的原理如下:當輸出電壓發生波動，通過R30、R43分壓得到的取樣電壓 U10使 TL431的輸出電壓UK發生改變，進而控制PC817的發光二極管（LED）的光照度，引起光敏三極管發射極電流成比例的變化，最后通過TOP221Y控制端電流變化來調節占空比發生與其相反的變化，達到穩定輸出電壓的目的，為電路提供穩定的輔助電源。

4 主電路模塊的設計

直流斬波電路起到把一種直流電變化為另一種固定電壓或可調電壓的功能。應用領域可分為兩類:一類是輸出可變的直流電壓；另一類是當電源電壓或負裁變化時，都可以輸出一個恒定的直流電壓[4]。所設計的電源屬于后者，其原理圖如圖3所示:高壓直流電壓DC0通過Sepic電路可升降壓的特點將變化的電壓DC0（183～425 V）穩定在DC1左右，并作為Buck電路輸入電壓，設置合適的占空比得到輸出電壓DC2（24 V），斬波電路采用閉環反饋控制，交流供電電壓或輸出負載電阻變化時，穩壓器輸出電壓都能保持穩定。兩次DC-DC變換都包括輸入、輸出濾波，電壓紋波更小。功率管漏源極兩端采用由無感電阻和電容組成的阻容吸收回路，吸收開關管的尖峰電壓，起到保護功率管的作用。

圖3 主電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of main circuit

5 PWM控制電路設計

PWM控制電路與DC-DC/DC-DC變換器的性能密切相關，因而PWM控制電路的設計尤為重要[5]。在此PWM控制芯片選用美國硅通用半導體公司（Silicon General）的 SG3525，具有內設置有欠壓鎖定電路，軟啟動電路，基準電壓源，誤差放大器，輸出限流，和關斷電路，圖騰柱式輸出級，振蕩器及可調節的死區等特點[6]，廣泛應用于開關電源的設計中。SG3525外圍電路如圖4所示，分析如下。

圖4 SG3525外圍電路原理圖Fig.4 SG3525 peripheral circuit diagram

選擇德州儀器公司（TI）生產的TL431的參考電壓作為2腳基準電壓，輸出 PWM控制信號穩定度高。R44、C29構成1、9腳之間的反饋補償網路，反饋電壓UFB加到1腳，與2腳基準電壓U7比較，調節占空比的大小。14、11腳兩路輸出并用一路輸出，使得變換器占空比可調范圍擴大一倍。C11為加速電容，加快功率管開通。10腳為關斷信號引腳，SD為高電平時，關斷脈沖輸出。將3腳接地，減少干擾。

6 光耦隔離驅動電路的設計

該穩壓器頻率高達100 K，采用高速光耦6N137與三極管組成光耦隔離驅動電路對PWM信號快速響應。隔離驅動外圍電路如圖5所示，6N137光耦輸入與輸出反向，因此輸出加一PNP管，使信號G1/G2跟隨輸入PWM變化，C33是0.1μF的去耦電容，加在6N137光耦合器的電源管腳旁。在選擇電容類型時，選擇高頻特性好的電容器，如陶瓷電容或鉭電容。6N137光耦合器的第6腳Vo輸出電路屬于集電極開路電路，必須上拉一個電阻R27；6N137光耦合器的第2腳和第3腳之間是一個LED，必須串接一個限流電阻R34。

7 反饋回路及過壓、過流保護電路的設計

圖5 隔離驅動外圍電路圖Fig.5 Isolation drive peripheral circuit diagram

反饋電路由磁放大器隔離器與取樣電阻 R26、R31組成，、取樣電壓經過DCP010505B隔離放大后得到電壓UFB，一方面，此電壓作為反饋電壓加到SG3525的1腳，與基準電壓比較，決定輸出占空比的大小，穩定輸出電壓；另一方面加到誤差放大器正向輸入端，作為過壓保護電路的輸入電壓，過壓保護電路采用跟隨器與遲滯比較器構成，當輸出電壓大于設定門檻電壓時，保護電路動作，發光二極管發亮，SD為高電平，關斷輸出脈沖。過流保護電路由取樣電阻、磁隔離放大器DCP、LM324組成。取樣電阻采用精密電阻，阻值比較小，磁隔離放大器采用DCP010512B，經過放大器將取樣信號放大后，與基準電壓比較，此后的保護動作與過壓保護原理相同。反饋電路和過壓、過流保護電路圖如圖6所示。

8 實驗

該Sepic直流穩壓器調試電路板分為輔助電源電路板、斬波主電路電路板，板子元件采用直插型，便于實驗發現問題及時更換元件加以改正。并對其PWM信號進行了測試并記錄。SG2525輸出PWM與隔離驅動輸出信號如圖7所示。

9 結論

Sepic直流穩壓器主電路是非隔離式設計，驅動信號可提供足夠的驅動電流快速驅動MOSFET，且驅動電路結構簡單可靠，該穩壓器在滿足輸出電壓可靠性、穩定性等要求下，體積、成本相對較小。有一定研究設計意義。

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圖6 反饋電路和過壓、過流保護電路圖Fig.6 Feedback circuit and overvoltage，overcurrent protection circuit diagram

圖7 SG2525輸出PWM與隔離驅動輸出信號Fig.7 SG2525 output PWM and isolation driver output signal

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