復合型開關電源的電路設計

復合型開關電源的設計方案

眾所周知，線性集成穩(wěn)壓器的輸出穩(wěn)定度很高，紋波電壓很小，但電源效率低，需使用笨重的工頻變壓器。而單片開關電源的效率很高，并且能省去工頻變壓器，但電壓穩(wěn)定度較低，紋波電壓較高。若將二者巧妙地結合起來，把單片開關電源當作前級穩(wěn)壓器，再由線性集成穩(wěn)壓器進行二次穩(wěn)壓，即可揚長避短，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，構成理想的高效、精密穩(wěn)壓電源。所配線性集成穩(wěn)壓器有以下三種方案：

（1）配7805系列三端固定式集成穩(wěn)壓器，其電路簡單，成本低廉；
（2）配LM317型三端可調式集成穩(wěn)壓器，使輸出
電壓連續(xù)可調，并能進一步提高穩(wěn)壓性能；
（3）配LM2937（固定輸出）、LM2991（可調輸出）等型號的低壓差穩(wěn)壓器，可使復合型開關電源的效率得到進一步提高。

采用兩級穩(wěn)壓的復合型開關電源，其電壓調整率和負載調整率均可達到±0.1％。

根據(jù)需要，還可為復合型開關電源增加欠壓保護、過壓保護、交流掉電保護、軟起動等自動保護功能。

復合型開關電源的設計示例

具有掉電保護功能的復合型開關電源的電路如圖1所示。該電路利用一片TOP209型單片開關電源作前級穩(wěn)壓，再用LM2937型三端低壓差穩(wěn)壓器作后級穩(wěn)壓。LM2937在額定負載下的輸入－輸出壓差（UI－UO）≤0.6V，僅為LM7805的1/6～1/3，能顯著降低穩(wěn)壓器的功耗，提高電源效率。LM2937的輸出電壓為5V，最大輸出電流是0.5A。交流掉電保護電路由VT1、VT2、C7、R4～R6組成。其中，R5、R6和VT2用來檢測交流電壓，所設定的閾值電壓須低于85V，現(xiàn)取70V。一旦UI<70V，VT2立即截止，直流電壓就通過R4給C7充電。當C7兩端電壓高于達林頓管VT1的發(fā)射結總壓降時，VT1就導通，使TOP209的控制端電壓變成低電平。與此同時C5放電，將電源關斷。正常情況下，UI>70V，因VT2導通，C7兩端電壓始終為0V，故該電路不起作用。不難看出，掉電后的供電時間與時間常數(shù)τ=R4•C7成正比。改變τ值即可設定供電時間。

圖1：一種具有掉電保護功能的復合型開關電源

圖2：15V、2A精密恒壓/恒流型開關電源的電路

這種開關電源適合作為節(jié)能型計算機（亦稱“綠色”PC機）的輔助電源。當交流掉電后，由輔助電源繼續(xù)供電一段時間，使微機能將數(shù)據(jù)存儲下來；當?shù)綦姇r間超過設定時間時，就自動切斷輔助電源。

精密恒壓／恒流型開關電源的電路設計

精密恒壓／恒流型開關電源的設計方案

精密恒壓／恒流型單片開關電源是采用單片開關電源，配上低功耗雙運放和可調式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，組成電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)的。與晶體管構成的控制環(huán)相比（典型電路見參考文獻2），它具有恒壓與恒流準確度高、外圍電路簡單、電流檢測電阻的阻值很小、功耗低、能提高電源效率等優(yōu)點，其電源效率可達80％。此類電源適宜作為筆記本電腦、攝錄像機的電池快速充電器。

精密恒壓／恒流型開關電源的設計示例

15V、2A精密恒壓／恒流輸出式開關電源的電路如圖2所示。電路中共使用了4片集成電路：TOP214Y型單片開關電源（IC1），PC816A型線性光耦合器（IC2），可調式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431C（IC3），低功耗雙運放LM358（IC4，內部包括IC4a和IC4b兩個運放）。該電路具有以下特點：

（1）利用IC4b、IC3、VD5和取樣電阻R3、R4構成電壓控制環(huán)；由IC4a、VD6和過流檢測電阻R6組成電流控制環(huán)；

（2）電壓控制環(huán)與電流控制環(huán)按照“邏輯或門”的原理工作，即在任一時刻，輸出為高電平的環(huán)路起控制作用；

（3）增加了次級偏壓繞組NSB給控制環(huán)路供電，次級偏壓USB能自動跟隨直流輸入電壓UI的變化，使電源輸出電壓UO大幅度降低時仍具有恒流特性，僅當UO≤0.8V時才進入自動重起動狀態(tài)；

圖3：精密恒壓/恒流源的輸出特性

圖4：12V截流型開關電源的電路

圖5：截流型開關電源的輸出特性

圖6：15W恒功率型開關電源的電路

圖7：恒功率型開關電源的輸出特性

（4）使用一片TOP214Y型單片開關電源，使額定輸出功率達到30W；

（5）采用由運放構成的電流控制環(huán)時，能將電流檢測電阻R6的阻值減小到0.1Ω，功耗降至0.4W，使電源效率得到提高；

（6）將反饋電壓UFB的最大值提升到46V，這里選用PC816A型光耦合器，其U(BR)CEO=70V>40V。

正常情況下電壓控制環(huán)起作用，開關電源工作在恒壓區(qū)。當IO接近于2A時進入恒流區(qū)，此時電流控制環(huán)起作用。IC4a的同相輸入端接電流檢測信號UR6，反相輸入端接分壓器電壓UFY。分壓器是由R5、R8和TL431C構成的。IC4a在將UR6與UFY進行比較之后，輸出誤差信號Ur2，再通過VD5和R1變成電流信號，流入光耦中的LED，進而控制TOP214Y的占空比，使電源的輸出電流IOH在恒流區(qū)內維持恒定。顯然，VD5和VD6就相當于一個“或門”。若電流控制環(huán)輸出為高電平，電壓控制環(huán)輸出低電平，則電源工作在恒流輸出狀態(tài)；反之，就工作在恒壓輸出狀態(tài)。

精密恒壓/恒流源的輸出特性如圖3所示。圖中的實線和虛線分別對應于U=Umin=85VAC、U=Umax=265VAC兩種情況。

截流型開關電源的電路設計

截流型開關電源的設計方案

截流型開關電源的特點是一旦發(fā)生過載，輸出電流IO能隨著輸出電壓UO的降低而迅速減小，即UO↓→IO↓，可對電機等負載起到保護作用。利用晶體管構成的正反饋式截流控制環(huán)，可實現(xiàn)上述功能，過載時將IO衰減到安全區(qū)域內。

截流型開關電源的設計示例

12V截流型開關電源的電路如圖4所示。該電路采用一片TOP202Y型單片開關電源。截流控制環(huán)由晶體管VT1、VT2、R1～R4、IC2構成，其電路簡單，成本低廉。要求VT1和VT2的參數(shù)應具有良好的一致性，能構成鏡像電流源。截流型開關電源的輸出特性如圖5所示。由圖可見，UO?IO特性曲線可劃分成3個工作區(qū)：恒壓區(qū)、截流區(qū)、自動重起動區(qū)。令輸出極限電流為ILM，下面對其輸出特性進行分析。

1）當IO<ILM時，VT2截止，UO處于恒壓區(qū)，即UO=12V基本不變。此時VT1工作在飽和區(qū)，VT2呈截止狀態(tài)，截流控制環(huán)不起作用，開關電源工作在穩(wěn)壓區(qū)。電路中，R1為電流檢測電阻。VT1的接法比較特殊，因R2阻值很小，可視為集電極與基極短路，故VT1始終工作在飽和區(qū)，只是飽和深度及飽和壓降US值可在一定范圍內變化。此時IO較小，R1上的壓降UR1較低，使VT2的發(fā)射結壓降UBE2=UR1＋US<0.65V，VT2呈截止狀態(tài)，相當于集電極開路，它對光耦反饋電路無分流作用。

2）當IO≈ILM時，截流控制環(huán)開始工作，并在正反饋過程中使IO隨著UO的降低而迅速減小。此時UR1≈0.3V，US≈0.57V，由于VT2的發(fā)射結壓降UBE2=UR1＋US>0.7V，使VT2立即導通，而VDZ2因UO的降低而退出穩(wěn)壓區(qū)變成截止狀態(tài)。于是，光耦LED上的電流就通過VT2分流。由于VT2的導通電阻很小，因此IF迅速增大，令TOP202Y的IC↑，占空比D↓，IO↓，開關電源進入截流區(qū)。進一步分析可知，R3上的電流是與UO成正比的，隨著UO的繼續(xù)降低，IR3↓→US↑→UBE2↑→IF↑→IC↑→D↓→IO↓，這就形成了電流正反饋，其效果是讓IO進一步減小，對負載起到截流保護作用。

3）當UO≤1.5V時，由于VT2達到飽和狀態(tài)，截流控制作用失效，改由LED的正向壓降 UF=1.2V進行限流。在負載短路時，短路電流ISS≈2.2A。

恒功率型開關電源的電路設計

恒功率型開關電源的設計思想

恒功率型單片開關電源的特點是，當輸出電壓UO降低時，利用恒功率控制電路迫使輸出電流IO增大，使二者乘積IO•UO不變，輸出功率PO保持恒定。這種開關電源可作為高效、快速、安全的電池充電器，對筆記本電腦中的電池進行充電。恒功率輸出特性近似為一條雙曲線。

恒功率型開關電源的設計示例

由TOP202Y構成的15V、15W恒功率型開關電源，電路如圖6所示。當輸出電壓從15V（即100％•UO）降至7.5V（即50％•UO）時，恒功率準確度可達±10％。恒功率控制電路由VT1、VT2、VDZ3～VDZ5、R1～R7構成。VT1工作在飽和區(qū)。VT1和VT2應選參數(shù)一致性很好的3DK4B型開關管。R1為電流檢測電阻，VT2用來監(jiān)視R1上的壓降。該電路具有溫度補償特性，能對VT1、VT2的偏壓以及輸出電壓進行溫度補償。恒功率控制電路由5部分組成：

（1）恒流源電路（VDZ4、R7、R3），給偏壓電路提供恒定的集電極電流IC1；
（2）帶溫度補償?shù)钠珘弘娐罚╒T1、R2），其作用是給VT2提供偏置電壓UB1，它的發(fā)射結壓降UBE1與UBE2相等且具有相同的溫度系數(shù)；
（3）電流檢測電阻（R1）；
（4）電壓補償電路（VDZ2、R6、R4），可對VT2的發(fā)射結電壓UBE2進行補償；
（5）電壓調節(jié)電路（IC2、VDZ2、R5），利用帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路使UO在恒壓區(qū)內保持恒定。

當IO較小時VT2截止，而VDZ2處于穩(wěn)壓區(qū)，開關電源工作在恒壓輸出方式下，UO=15V，此時恒功率控制電路不工作。設VT2的基極偏壓為UB2，僅當UB2＋UR1=UBE2時，VT2才開始導通，而VDZ2立即截止，電路就從恒壓控制迅速轉入恒功率控制，并按下述正反饋過程UO↓→IO↑→UR1↑→IF↓→IC↓→D↑→IO↑，使PO保持不變。

恒功率型開關電源的輸出特性如圖7所示。從圖中可見，當 UO=15V時IO=1.02A，PO1=15V×1.02A=15.3W；UO=7.5V時IO=2.07A，PO2=15.5W。顯然，PO1≈PO2，這就是恒功率輸出的特點。