通用開關電源的設計

王海英

海南大學機電工程學院,海南 儋州 271737

開關電源我們可認為是由功率級和控制電路所組成，功率級是功率變換的主體，主要通過開關器件、電感、電容等器件來實現功率變換的。開關電源的主體是開關型DC-DC變換器，它是開關電源整個變換核心。非隔離式和隔離式為DC-DC變換器的兩種基本拓撲。在非隔離式變換器中，輸入到輸出之間是沒有電氣隔離的，非隔離式拓撲結構形式主要有:Buck,Boost ,Buck-Boost, Cuk'等。

首先介紹開關電源的控制方法:

根據DC-DC變換器工作方式，DC-DC變換器可分為下面幾種:PWM變換器、諧振變換器、軟開關PWM變換器等。

1 脈寬調制技術

脈寬調制PWM技術由于其電路簡單、控制也相對方便而得到廣泛的應用。目前，應用PWM技術的變換器的運行最佳頻率范圍為30kHz～50kHz（使用MOSFET做開關管），在該范圍內，整個系統不論體積、重量、可靠性或是價格都基本上實現了最佳。但是，常規的PWM技術的固有缺陷也在一定程度上限制了其高頻化，這樣人們另想辦法，圍繞著減小開關的損耗，消除或緩解其電路中寄生參數所造成的影響提出了諧振變換技術。

2 諧振變換技術

諧振變換技術可以描述為開關器件在零壓或零電流條件下可進行開關狀態的轉換。這樣可以在一定程度上降低了開關損耗。諧振變換電路主要由串聯諧振、并聯諧振、準諧振、E類諧振和多諧振等。這類變換器主要利用諧振原理使開關管的兩端電壓或流過開關管的電流能夠在一個周期內在某一時間段呈正弦規律變換，電壓和電流的波形會錯開，這樣可實現零電壓開關（ZVS）或零電流開關（ZCS）條件，使得開關管自然得到導通或關斷。零電流開關的特點:能保證運行中的開關器件在關斷信號來到之前，流經開關管的電流就已經下降為零，這樣就保證了器件在零電流的條件下能斷開;零電壓開關的特點是能夠保證運行中的器件在開通信號來到之前，開關管的端電壓就已經下降為零了，從而能使開關管在零電壓下導通。諧振式變換器有這樣的缺點:1）功率電路拓撲較復雜，在不同負載條件下，存在不同工作模式；2）QRC, MRC都是變頻控制，所以控制電路較復雜；3）諧振波形使開關管電壓或其電流應力比PWM變換器還要大得多。針對以上局限性，人們提出了其他的軟開關技術。

3 軟開關技術

軟開關變換器為QRC和PWM開關變換器組合在一起的綜合:在QRC變換器中若增加一個輔助開關，以控制諧振為網絡工作，使變換器在整個周期內，一部分時間是按ZVS或ZCS準諧振變換器來工作，另一部分時間則按PVYM變換器來工作。因此它兼具有諧振變換技術或PWM變換技術共有的特點.

下面再來介紹控制電路:

控制電路我們采用ON Semiconductor（安森美）公司所生產的NCP1200芯片。NCP1200是種新型的高頻開關電源芯片，它將開關電源中最為重要的兩個部分即PWM控制集成電路和功率開關管MOSFET電路集成在一個芯片上，構成PWM/MOSFET二合為一的集成芯片，能使外部電路得到簡化，讓工作頻率可達100kHz，交流輸入電壓為100V～250V，AC/DC轉換效率可達到90%。對70W 以下開關電源，主功率器件采用NCP1200，與其他電路相比，重量輕、體積小、自我保護的又功能齊全，從而降低了開關電源在設計過程中的復雜性。特別適合于中小功率AC-DC電源、各類充電適配器、DVD電壓等的設計。

4 EMI濾波器

EMI信號濾波器是可以濾除導線上各種工作時不需要的高頻干擾成份，其可用在各種信號線（包括直流電源線）上當低通濾波器。最有效的接收和輻射天線是線路板上的導線，由于導線存在，這樣會使線路板產生強電磁輻射。與此，這些導線還能接收外部來的電磁干擾，使電路相對干擾很是敏感。解決高頻電磁的干擾輻射和接收最有效的辦法是在導線上使用信號濾波器， 如不用信號濾波器時，脈沖信號的高頻成份就很豐富，這些高頻成份還可借助導線輻射，這樣線路板的輻射就會超標。所以使用了濾波器以后，脈沖信號的高頻成份就會消弱很多，正因為高頻信號的輻射效率非常高，隨著高頻成份的減少，線路板的輻射會改善很多。按安裝方式和外形信號濾波器可分為:貫通濾波器、有線路板安裝濾波器、連接器濾波器等。通常使用線路板安裝濾波器較多，其具有經濟性高、安裝方便等優點。

5 TL431反饋電路

反饋的概念，是指將放大電路的輸出量（電壓或電流信號）一部分或全部，通過一定的方式（元件或網絡）輸送到輸入回路，完成輸出量與輸入端回送的電路就稱為反饋元件或反饋支路，具有反饋回路的放大電路即稱反饋放大電路。

隨著電子技術的不斷高速發展,電源技術也跟著不斷完善和提高。像自激型的開關穩壓電源,在過去其輸出的功率只能達到大概50W,而現在可以達到100W以上。這些變化是源于電路技術的進一步成熟和采用新型元器件的結果。

最后設計開關電源整體系統圖:

電路如圖所示:電源適配器由NCP1200構成6.5V、0.6A，它可為隨身聽、電動玩具或一般家電提供電源。該適配器對全部85～265V的交流電源均適用。交流電壓經過橋式整流器（BR）、電磁干擾濾波器（L1、L2、R4、R5）和濾波電容（C1、C2），得到直流高壓U1，分別連到NCP1200的HV端、高頻變壓器初級的一端。在剛獲得電源時能降低輸入濾波電容上的沖擊電流。吸收電路由R6、C5、VD1組成的鉗位電路和R7和C6構成，可吸收尖峰電壓，這樣就可降低電磁干擾。外部功率開關管是采用MTDIN60E型M0SFET管，最大漏極電流為IDM=1A，漏源擊穿電壓為U（BR）DS=600V，管子最大功耗為PDM=1.75W。輸出整流濾波器是由VD2、C3、C4組成。光耦反饋電路是由限流電阻R1、光耦合器IC2（PC817A）和5.1V穩壓管（1N5993B）組成的。輸出電壓是這3個元器件上的電壓降之和。因IC2中LED的正向壓降ULED≈1V，工作電流ILED設定為0.85mA， Rl=220Ω，故Uo=URl+UrrD+UDZ=(0.85×10-3×220)+1+5.1≈ 6.5V。 高 頻變壓器采用E16型磁芯，初級繞組的電感量Lp=2.9mH，漏感Lpo=80us，匝數比 n=Np/Ns=12.5。

開關電源整體電路原理圖

電源技術發展的趨勢是開關電源高頻化，高頻化帶來的優勢是使開關電源裝置空前微型化，并使開關電源應用領域更加廣泛，特別是應用在高新技術領域，推動了高新技術產品的微型化、輕便化。另外開關電源在節約資源及保護環境方面的發展與應用更具有深遠意義。

[1]劉勝利.高頻開關電源實用技術[M]，2003，5.

[2]蔡宣三，龔紹文.高頻功率電子學直流直流變換部分[M]，科學出版社，1993，6.

[3]蘇玉剛，陳渝光.電力電子技術[M].重慶大學出版社，2003，4.

[4]葉慧貞，楊興洲.開關穩壓電源[M].國防工業出版社，1993，4.

[5]沙占友，王彥朋，孟志永.單片開關電源最新應用技術[M].機械工業出版社，2002，9.

[6]沙占友.新型單片開關電源的設計-5應用[M].電子工業出版社2001，6.

[7]趙負圖.電源集成電路手冊[M].化學工業出版社，2003，1.

[8]何希才.新型半導體器件及其應用實例[M].電子工業出版社，2004，6.

[9]王港元.電子技能基礎[M].四川大學出版社，2001，9.

[10]趙修科.實用電源技術手冊— 磁性元件分冊.沈陽:遼寧科學技術出版社，2002.

[11]謝自美編著.電子線路設計.實驗.測試[M].武漢:華中科技大學出版社，2000.

[12]Hernan E T.Single Switch Two-output Flybackforward converter operation.IEEE Trans on Power Electronics，1998，13(5):903～911 Small Power Switch Power Supply Design