大功率開關電源的設計與實現

李亮勁

摘 要：大功率開關硬開關的過程里，功率元件上有較大的電流電壓尖峰和嚴重的發熱問題，開關的損壞較大。為了設計出穩定且結構簡單的開關電源，文章對推挽式開關電源以及開關電源的變壓器制作法進行了簡單的介紹。同時，簡析了控制的基本原理，開關電源的控制目標“準、穩、快”是矛盾統一體，所以選擇折中利用。文章以500 W推挽式開關電源設計為例，簡析了開關電源設計步驟。

關鍵詞：大功率；開關電源；推挽式；脈寬調制

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0001-03

1 推挽式開關電源工作原理及結構

1.1 500 W推挽式開關電源電路結構

文章是以500 W推挽式開關電源的設計及實現為例，其電路結構圖，如圖1所示。

1.2 500 W推挽式電源工作原理

通過熱敏電阻、濾波電容和整流電路，工頻交流電的輸入會成為直流電壓，再通過推挽式的斬波電路和濾波變成為4A12V和80A5V的直流電輸出，見圖一 。500 w的開關電源的設計，兩個開關元件在推挽式DC中都為大功率場效應管（FET）。電容是400 μF，電阻560歐15 w，二極管BYV2B一起構成了

rcd吸收電路，而芯片CS3842產生的脈寬信號會控制兩個場效應管的截止和導通。CS3842芯片輸出電壓不到1 V，因此對場效應管沒有驅動作用，可以適當采用將輸出方法的具有適當匝數比變壓器，以此驅動FET。

到通電以后，電容100 μF50 v經過變壓器的輔助端向CS3842提供軟電壓，推動該芯片工作。經過了變壓器T2將脈寬信號放大，控制FET被導通或者介截止，使之輸出電壓。T3采集輸出的電流，反應到芯片3管腳電流端，經過芯片CS3842的反饋電路，和獲得的電流變化，對信號占空比做出調整，以此達到穩定輸出的狀態。通過采集獲得的電壓轉化成電壓，芯片關斷電壓被電壓值超過的時候，芯片便停止工作，FET截止，同時開關電源也停止工作。CS3842是電流控制芯片，它的功能還可以采集輸出的電壓來調節反饋，通過T4將電壓采集到脈沖調制控制電路，通過反饋到芯片2管腳的輸入端。如果輸出電壓變大，可以減小占空比丟失，隨之輸出電壓也減小。如果輸出電壓減小是，占空比丟失增大，增大輸出電壓。

2 電路參數設計

2.1 整流電路設計

整流濾波的電路，如圖2所示。其原理是若電壓U2正處于正半周期且其數值比電容兩端電壓Uc大的時候，D1D3二極管導通，電流經過電阻RL，對電容C進行充電。U2值達到峰值以后逐漸下降，電容又通過RL放電，其電壓也隨之下降。如果U2負半周期的變化值剛好比電容兩端電壓Uc大時，二極管D2D4被導通，U2第二次對電容C充電，當電容兩端電壓達到U2的峰值時又下降，降到一定值，其二極管截止，C對負載電阻RL放電，當到一定值的時候，二極管D1D3又被導通，通過這樣的循環，得到其理想的波形，如圖3（a）所示。但實際過程中會受到整流電路內阻的影響，其波形偏向圖3（b）所示。放電時間的常數T=CRL，不同的T值的相應Uo的波形，如圖4所示。輸出電壓的平均值，如圖5所示。

加濾波電容以后，電容充電的時候才能導通二極管，二極管導通角都會比π小。因為電容濾波輸出電流增大，導通角會減小，二極管在極短的時間里會通過一個大沖擊電流給電容充電，如圖6所示。

選定濾波電容C后，輸出電壓平均值Uo及電流平均值Io，之間的關系是輸出特性，還有其濾波特性是電流均值Io與脈動系數S的關系。電壓均值和電流均值關系的輸出特性圖，如圖7所示。

預估電路的輸入功率和損耗功率，元件損耗功率基本如下：變壓器的功率：20 W；輸入功率：625 W；控制芯片等：20 W；二極管：44 W。輸入電壓整流后，電容以兩倍頻傳遞其能量：

電壓峰值最小時候為187×-2=262 V，電路中二極管管壓下降至2 V，最初電容是200 V，通過Ceq（V2pk-V2min）和和上述式子得出Ceq=364 μF，C=728 μF。

2.2 輸出電路設計

推挽式輸出電路結構，如圖8所示。推挽式電路，如圖9所示。

開關S1S2通過交替導通，在繞組兩端進行反相位交流電壓。當開關S1導通時，VD1二極管處于通態，開關都關閉時候，兩個二極管都處于通態，各分擔一半電流電感。推挽式電流處于連續模式時候，一個開關周期中會經過四個開關狀態。對于500 W開關電源而言，采用125服務WMOSFET BUZ64，其門檻電壓是5 A10 V，CS3942輸出電流是1 A，不能對FET BUZ64進行驅動。推挽電路和控制電路間融入變比為5的T4變壓器，以此達到穩定輸出的狀態。

2.3 脈沖調制控制電路

芯片CS3842內部有PWM調制、鎖存、誤差放大器七等模塊，如圖10所示。

管腳是誤差放大器的輸出，可以作為回路補償。管腳是電壓/電流反饋端T4變壓器輸出電壓經過電阻反饋，減小占空比，穩定輸出電壓。管腳為輸輸出端，其輸出電流是1 A，也是脈寬電流，因為BUZ64的基本電流是5 A，在兩者間增加變比是5的T2能夠驅動，才能正常工作。

2.4 變壓器設計

200 Hz的工作頻率，其鐵損和繞損的升高會不斷增大。變壓器選用PQ 4040的P材，線圈匝數比：

其中，VIN （min）為能夠調節的直流電壓。VT是FET滿載時的導通電壓，Dmax為占空比，VOUT為輸出電壓，Vf代表二極管正向導通壓降。輔助繞組給CS3842芯片體用啟動電源，其中兩個穩壓二極管最大鉗位電壓27 V，原邊電壓208 V。

3 結 語

推挽式開關電源體積小、轉換效率高、重量輕及控制精度較高等優勢，可以替代線性調整電源，在向大中范圍推進發展，在一定程度上取代了晶閘管控制整流電源。在芯片CS3842基礎桑設計了三路輸出的開關電源。PWM控制控制著推挽式電路中的開關管，有反饋電壓電流和穩定輸出作用，符合預期效果。

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