一種自激式高壓開關電源的設計

田東強，姚 毅，熊永勝，張咪咪

（四川理工學院 自動化與電子信息學院，四川 自貢643000）

0 引 言

開關電源的主電路拓撲結構多種多樣，主要分為以下幾大類：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用變壓器進行能量隔離傳輸，非隔離式主要應用電感作為儲能和釋放能量的載體來調節輸出電壓；按能量傳送方式主要分為連續式和非連續式；按開關方式可分為硬開關方式和軟開關方式，軟開關方式不僅可降低開關的損耗，還可以降低電磁干擾，優點突出，成為主流的開關方式；按控制方式主要分為調頻式、調幅式、調寬式和自激式。應用最多的是調寬式，通過改變脈沖寬度控制電壓大小。調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，所以對磁性元件的設計要求比較高。本文設計了一款小功率電源，電路結構簡單、體積小、紋波小。

1 開關電源穩壓原理

1.1 開關電源基本電路

開關電源的調制方式多種多樣，大多數會采用脈寬調制方式，此方式控制簡單。開關電源的基本電路框圖如圖1所示。

交流輸入經過整流器得到直流電壓，直流電壓經過高頻變換器得到所需的方波電壓，然后再經過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電壓比較來控制調節器，進而控制高頻變換器，以達到穩定輸出電壓的目的。

圖1 開關電源基本電路框圖

1.2 TL431的簡介

TL431是目前應用極廣泛的器件，它的各項指標均很出色。此器件是有著良好熱穩定性能的三端可調分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置從Uref（2.5 V）到36 V范圍內的任何值。該器件的典型動態阻抗為0.2Ω，應用廣泛。其特點為：

（1）可編程輸出電壓為36 V，電壓參考誤差：±0.4%。

（2）低動態輸出阻抗，典型0.22Ω。

（3）負載電流能力1.0 mA～100 mA。

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

（5）低輸出噪聲電壓。

其常見的封裝如圖2，內部方框圖如圖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，這是電源的關鍵部分。開關頻率越高，相同條件下磁芯的體積就可以越小，但是高頻開關引起的電磁干擾也將增大。

圖2 TL431封裝引腳圖

圖3 TL431內部方框圖

圖4 電路硬件模塊圖

（2）倍壓模塊部分：主要是將經過高頻變換器得到的高頻交流電通過二極管和電容構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：主要是將經倍壓模塊得到的脈動直流電壓進行濾波，得到穩定的直流輸出電壓。

（4）反饋控制部分：主要通過電壓采樣和電流采樣部分來控制電源的穩定，形成過壓調節和過流保護。

2 主電路工作原理

單路輸出高精度開關電源的設計指標如下：

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

當電源VCC開通5 V電壓時，直流電壓經過限流電阻R1，通過R2、R3和 R4、R5為 Q1和 Q2設置靜態工作點，通過線圈T3耦合為Q1提供高頻開關信號作用于Q1，使Q1工作在高頻開關狀態，直流電壓變為高頻交流電壓。由于所需電流很小，這里選用倍壓電路進行電壓抬升［1］，而不選用提高特拉斯線圈匝數來提升電壓，這樣既可以減少線圈的繞線匝數，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。高頻交流電壓經過二極管D1、D2、D3、D4和電容C5、C6、C7、C8構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RC濾波電路對輸出電壓進行濾波，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TL431和Q2構成的反饋控制電路，通過調節可變電阻R12，可控制輸出電壓的值。C10為濾波電容，穩定參考電壓。當輸出電壓過高時，通過TL431電壓比較，并作用于Q2使其開通，減少Q1的開通時間，降低了輸出電壓，形成過壓保護。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。

過流保護電路，此電路主要是在回路中加入采樣電阻，通過其壓降的變化，配合Q3為電路提供過流保護。C 為濾波電容，當回路中電流過大時，采樣電阻的電壓值升高，作用于Q3的基極，當超過設定值時，促使Q3導通，使Q1基極電位降低，減小其導通時間，降低輸出電壓。

為了降低高頻開關的電磁干擾，本設計磁芯選用罐狀磁芯，T1、T2和 T3之比為11：500：4，可以有效抑制高頻的開關干擾。

3 結束語

依據上述工作原理，進行了開關電源的設計并制作了樣機，調試完成后的電源指標滿足設計要求。輸入電壓可達3.5 V，單路輸出電壓－800 V，最高可達－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，具有短路保護功能。制成并放置于一個長3 c m、寬2.5 c m、高2 c m的小金屬盒內，電源工作性能穩定。

［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計［J］.通信電源技術，2012，29（1）：29－32.

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

［4］ 張金波，李 俊，宋培卿，陸 昊.一種自激式開關穩壓電源的設計［J］.微計算機信息，2003，19（5）：52－53.