恒流激勵型開關電源

黃鵑飛，王 琦

（江西信息應用職業技術學院，江西 南昌 330043）

恒流激勵型開關電源

黃鵑飛，王 琦

（江西信息應用職業技術學院，江西 南昌 330043）

該開關電源是采用自激式恒流電路來驅動、運行可靠、使用方便、安全系數高。和常規型自激振蕩的區別在于電壓調節不使用分流調整管，因此大大提高了開關電源的調節范圍，并且輸出電壓基本不受輸入電壓的波動而波動。常規型自激振蕩的開關電源輸入電壓必須保持在170~240V之間，如果電壓過低或過高都可能造成電源故障，甚至燒壞開關管。而采用恒流激勵型的開關電源輸入電壓只需維持在80~300V之間都能讓開關電源輸出正常。

開關電源；恒流激勵；自激振蕩；開關管

在上個世紀中期，由于晶體管的大規模使用第一代非線性開關電源的出現，使得直流線性穩壓電源（參數穩壓電源和反饋穩壓電源）和利用晶閘管穩壓的相控電源逐漸退出歷史舞臺，在這半個多世紀以來，電子技術的飛速發展使得開關電源技術有了本質的改善，經歷了三個重要的發展階段：①大功率半導體元件；②高頻半導體元件；③軟開關技術。這三個階段先使得大功率開關管從雙極性器件發展到MOS型器件，使得開關管不但具有輸出功率大并具有開關速度開的特點，這使得開關電源能實現高頻化邁出了重要一步。利用MOS型開關管不但可以降低開關器件的導通損耗，也能使得電源變壓器體積更小大大降低了使用成本。再通過軟開關技術和集成電子模塊的出現使得功率變換器性能更好，安全性更高，尺寸更小，成本更低。

1 開關電源基本工作原理

隨著功率開關晶體管的出現，開關電源開始取代線性穩壓電源。把線性調整狀態變為非線性調整狀態，通過控制功率開關管的導通和截止狀態從而改變功率開關管的占空比來實現調整和穩定輸出電壓的目的。

（1）第一代常規型開關穩壓電源的組成一般包括：交流輸入整流濾波電路、直流變換電路、占空比控制電路、電源輸出電路和保護電路組成。

（2）開關電源特點：①重量輕：相對于線性穩壓電源而言開關電源使用的電源變壓器大大減少，使得硅鋼片和漆包線的使用也減少很多。所以一般同功率的開關電源重量只有直流線性電源的20%，變壓器體積也大大縮小。②效率高：開關電源的功率開關管受到脈沖信號的作用下，使得其工作在飽和導通和截止兩個狀態之間切換。因為功率開關管在飽和和截止時的導通損耗最少。這就大大減少了直流線性穩壓電源直流損耗嚴重的問題。一般的開關電源效率大多都在80%左右，高速開關電源可以在90%左右，甚至有些高頻開關電源加入了有源功率因數校正電路以后可以達到99%以上。③功耗小：由于開關穩壓電源使用的變壓器數目較少并且功率開關管的開關速度非常快，一般開關頻率都在10kHz以上。這不僅使得電路中的濾波元件的參數能大范圍減小，降低無功功率；而且由于功率開關管工作在放大區的時間非常少，使得晶體管直流損耗非常低發熱情況大大改善。④穩壓范圍寬：在直流線性穩壓電源中對輸入電壓的要求比較嚴格，必須保證輸入電壓能使調整管工作在放大區，也就意味著輸入電壓必須是一個幅值變化在很小范圍內的一個近似直流電。而一般的開關電源具有比較強大的穩壓和調壓能力因此對輸入電壓的要求并不太嚴格，一般交流輸入電壓在150～260V之間都能正常工作。甚至在本文討論的恒流激勵型開關電源對輸入的電壓適應范圍更寬可以達到100～300V左右變化，都能使輸出電壓穩定。⑤安全可靠：在開關電源電路中加入了各種各樣的保護電路，所以當電源電路出現故障時都能比較好的進行斷電保護，從而保證其功能的可靠。并且由于開關電源晶體管發熱情況較低，電路中不需加入大面積的散熱器，元件不容易因為長期工作在高溫環境中而出現故障損壞，也能使開關電源的整機穩定性和可靠性大大提高。

（3）自激型開關穩壓電源工作原理。如圖1，所示輸入電壓Ui為一近似直流電壓經開關器件S送至輸出端。其中V是一個受脈沖信號控制的開關管。若使開關S按一定要求改變其導通或關斷時間，就能使輸出電壓由一個近似直流信號變成一個矩形脈沖電壓。把這個矩形 脈沖電壓通過一次濾波電路進行平滑就可以得到一個穩定的直流電壓Uo。

圖1 開關電源工作原理

并且Uo＝Ui×δ公式中δ為占空比。開關電源一般是利用反饋信號來控制晶體功率管的導通與截止時間，也就是“時間控制法”。

常規型開關電源是通過在功率開關晶體管的基極加入RC振蕩回路。通過電容的充放電來改變基極電位使開關管產生自激振蕩。同時又加入一個分流調整管，通過采樣電路對輸出電壓進行采樣，把這個采樣電壓通過分流調整管反饋回開關管，并影響開關管基極電流，通過改變開關管基極電流的大小來改變占空比，從而實現穩壓的目的。但是由于振蕩電路中的電壓是直接由變壓器感應而來，也就是說這個電壓直接受到輸入電壓的大小而影響，這樣的電路設計決定了該電路對輸入電壓的范圍有了較大的要求，使得穩壓范圍相對變

窄。

2 恒流激勵型開關電源

圖2 系統基本框圖

（1）電路組成。系統基本方案如圖2所示。管基極電位，使得開關管產生自激振蕩。④恒流激勵電路。C2、C3、R4、R5、R6、R7、T1、D1 構成恒流激勵電路。其中 C2 為電解電容，容量較大，一般為幾百微法到一千微法。通過變壓器的電感效應把主電流回路中的電能對C2進行充電。因為C2容量較大，可以把該電容看成一個恒壓源對開關管供電。

（2）基本原理。該電路中的開關管主要是通過電容C2來提供基極電壓。由于電容中的電壓是不能突變的，而且該電容又足夠大，使得開關管的基極電位相對穩定。當T1導通時，電阻R6電壓應該為 Uc1-Uce1-Ube2=(Uc-1)V通過該等式發現電阻R6上的電壓是穩定的，也就意味著流過VT1的電流是穩定的，那么VT2的基極電流也是穩定的。那么我們不難發現VT2的基極電流時由電容C2上的充電電壓決定而與輸入電壓無關。

①主電流回路。輸入電壓Ui、R1、變壓器初級繞組，開關管T2構成開關電源主電流回路。開關管對輸入電壓Ui進行DC/DC變換，并通過變壓器把電能傳遞給負載。②啟動電路。R1、R2構成啟動電路。啟動電路的作用是為開關管提供啟動電壓，將開關管打開。T2的基極電流 Ib=Ui/R1+R2。③自激振蕩的正反饋電路。為了提高變壓器功率加入正反饋電路，并且加入R3、C1形成RC振蕩電路，通過電容C的充放電而改變開關

3 結語

恒流激勵型開關電源克服了常規型開關電源輸出電壓調節范圍窄的缺點，輸出電壓受輸入電壓Ui的影響很少。開關管的基極電流大小主要是由電容的容量和充電電壓決定。這也使得該電路對輸入電壓的要求不是很嚴格，輸入電壓在70～300V之間都能保證輸出電壓穩定。

黃鵑飛（1976-），男，講師，主要研究方向：電子技術工程。