5V開關電源設計

廣東白云學院 劉 康 林啟明 曾貴娥

本文通過對常用的開關電源結構和性能進行分析，設計了一種基于OB2353CP為控制芯片的反激式小功率開關電源。剛方案有利于減小開關電源體積，提高開關電源效率。最后通過對實物的實驗波形進行分析，證明該方案設計的開關電源能輸出穩定的5V電壓，滿足設計要求。

1 概述

隨著電子技術的發展，開關電源已經開始廣泛的應用在各個領域當中。由于電子設備的不斷研發和制造，開關電源的各方面要求也隨之不斷的提高和完善，人們對其的需要也在不斷的提高（劉天羽,沈任元,田玉冬.提高開關電源效率和節能電源的研究與設計[J].上海電機學院學報,2007,10(2):93-97）。而開關電源因為具有體積小、重量輕、高效率等優點，成為使用最廣泛的電源。本設計的開關電源是基于OB2353CP為控制芯片，使輸出電壓為5V。

2 開關電源電路設計

開關電源電路主要包括輸入電路，整流濾波電路，控制電路，輸出濾波電路等，如圖1所示：

圖1 開關電源結構圖

2.1 變換電路設計

變換電路屬于輸出濾波電路，是開關電源的重要部分，因此首先，要確定變換電路中直流斬波電路的結構。常用的斬波變換電路有正激型，反激型，推挽型，半橋型，全橋型等等（程紅麗,等.高效率復合DC_DC變換器的設計與實現[J].創意與實踐,2015,3:72-76）。鑒于本設計基于開關電源芯片OB2353CP設計的開關電源，此芯片用于功率較少的開關電源中，所以本次設計的開關電源功率較小，不適合用推挽、半橋和全橋變換電路。對于正激型變換器和反激型變換器來說，在變壓器的一次測，反激式變換電路比正激式變換電路中少用一個大儲能濾波電感和一個續流二極管；在變壓器二次側，而反激式開關電源的能量直接存儲在變壓器上，而正激式開關電源則需增加一個儲能電感進行儲能；正激式開關電源還有一個很大的缺點就是控制開關斷開時，變壓器初級線圈產生的反電動勢電壓比反激式開關電源產生的反電動勢電壓要大得多；正激式開關電源輸出電壓受占空比的調制幅度影響，相對于反激式開關電源來說影響低很多；正激式變換電路中變壓器一次繞組中只有單方向的脈動電流流過，變壓器存在直流磁化現象，鐵芯容易飽和。為了使變壓器鐵芯不飽和，變壓器會比反激式變壓器多一個反電動勢吸收繞組，正激式變壓器體積比較大。

考慮到本次設計的為小功率開關電源，通過對比分析，反激式變換電路結構簡單，元器件數量少，成本較低，更加適合于小功率開關電源，故而選擇反激型變換器，其電路結構如圖2 所示：

圖2 反激型變換電路

2.2 控制電路設計

本次控制電路的設計主要以開關電源芯片OB2353CP為控制核心和反饋電路組成的控制電路。利用反饋電路采樣電壓進行反饋，芯片根據反饋電壓的大小利用PWM調節占空比，得到穩定的輸出電壓。OB2353CP是一款電流模式PWM控制芯片，內置功率MOSFET，低起動電流（5μA），有固定工作頻率，中心頻率在50KHz左右，電路中具有前沿消隱功能，可消除由于干擾引起的MOSFET的誤動作，芯片內部還具有頻率抖動功能和震蕩電路，使其有多種工作模式，并可以有效降低EMI，內置的軟啟動電路減小了電路啟動時變壓器的應力，保護功能也完善。

2.3 整流電路設計

通常情況下，在隔離型開關電源中，采用整流二極管組成的橋式整流電路為主。在橋式整流電路中，整流二極管的主要參數包括：反向峰值電壓URM（V）、正向壓降UF（V）、平均整流電流IF(AV)、正向峰值浪涌電流IFSM(A)、最大反向漏電流IR(μA)。整流橋的反向擊穿電壓應滿足式(1)的要求：

假設輸入電流的有效值是IRMS，整流橋額定的有效電流值是IBR，設計時應當滿足IBR≥IRMS。則有效電流IRMS的計算公式如下：

式中，Po表示輸出功率，η表示工作效率，Umin表示交流輸入電壓最小值，cosφ表示功率因素。cosφ的值可以取0.5-0.7。在實際的設計中，由于整流二極管的價格都比較便宜，應當遵循耐壓值“寧高勿低”的原則進行選擇，這樣既可以保證電路的安全，也可以增加電路的可靠性。

本次設計的整流二極管采用的規格型號為1N4007，其最大平均整流電流1A，最大正向峰值浪涌電流30A，最大反向峰值電壓為1000V，最大反向漏電流5μA，正向壓降1V。

2.4 輸入濾波電路設計

在開關電源設計中，需要各種各樣的電容，有貼片式的，也有插件式的，按用途分為：小型電容器、調諧電容器、高頻旁路電容器、低頻旁路電容器、高頻耦合電容器、低頻耦合電容器、濾波電容器等。

在反激式開關電源中，儲能元件電容的選擇是十分重要的，其一個重要參數電容容量的選擇也是十分的重要。若選擇的電容容量過低時，會大大降低直流電壓最小值Umin的值；若選擇的電容容量過高時，既會使電容的成本提高，也會使提高Umin的值和降低脈動電壓的效果達不到預期的效果。

假設交流電壓u的最小值為umin，電容的充電時間為tC，電容C的容量C1計算公式如下:

可推導：

整理可得：

在濾波電路中，電容容量的選擇必須要合理。設比例系數K為每單位輸出功率（W）所需濾波電容容量（μF），當交流電壓u為230V（1±15%）時，k的取值應選擇為1μF/W（龍志文.電路電子技術[M].機械工業出版社,2005）。當交流電壓u為110V（1±15%）時，k的取值應選擇為2-3μF/W。濾波電路中電容容量的選擇方法如表1所示：

表1 濾波電路中電容容量的選擇方法

在本設計中，輸入的交流電壓偏差的范圍在85-265V中，所以UIminC1的值取為90V，f=50Hz，tC=2.4ms，Po=2W，η=80%，把值帶入式(5)中可以求出C1=5.98μF，比例系數：

在2-3μF/W的允范圍之內。經過查詢電容容量的規格沒有5.98μF，所以選擇電容容量為4.7μF的電容，此容量大小最接近5.98μF。

本次設計為π型濾波電路，如圖3所示：

圖3 π型濾波電路

2.5 輸出保護電路設計

為了保證輸出電路能夠安全穩定的工作，應具有良好的保護功能（李金伴,李捷輝,李捷明.開關電源技術[M].化學工業出版社,2006）。在本次設計中，結合實際情況，為了降低成本，簡化電路，采用過流保護，其電路如下：

圖4 輸出保護電路

電路工作原理：電阻R20為負載電流檢測電阻，其阻值的選擇通常根據負載電流保護閾值而定（王水平,等.開關穩壓電源原理及設計[M].人民郵電出版社,2008），其電阻值取值極小，在開關電源正常工作下，其壓降不足0.3V。當開關電源過流檢測電壓Uo＞0.7V時，過流使三極管導通，輸出電壓直接通過三極管的集電極輸出到晶閘管的門極中去，使晶閘管導通，將輸出電路短路，從而達到保護電路的目的。

3 實驗測試

設計完成后，對本次設計的開關電源進行測試，用示波器測試不同時間下直流5V輸出的波形，看其是否穩定輸出滿足要求。下面3組數據分別是在50ns，2μs和10μs下所測的直流5V輸出電壓的值：

圖5 50ns時所測輸出電壓值

圖6 2μs時所測輸出電壓值

圖7 10μs時所測電壓輸出值

由上面3組數據，可以算出，在50ns時，輸出電壓平均值為4.81V，誤差則為：

在2μs時，輸出電壓平均值為4.82V，誤差則為：

在10μs時，輸出電壓平均值為4.81V，誤差則為：

由此可以得到，誤差范圍均在±5%以內，輸出電壓值較為穩定，誤差在允許范圍內，滿足要求。

4 結論

通過實驗測試分析，本次設計的開關電源可以輸出穩定的5V電壓，工作比較穩定，誤差滿足要求，且該開關具有電路保護作用，可見該設計方案合理。