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淺析幾種新型特種集成開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)例

發(fā)布時(shí)間:2013-01-06 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】特種集成開關(guān)電源與傳統(tǒng)的開關(guān)電源相比,具有電路新穎、功能奇特、性能先進(jìn)、應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛等特點(diǎn)。特種集成開關(guān)電源主要包括以下四種類型:復(fù)合型開關(guān)電源、恒壓/恒流型開關(guān)電源、截流輸出型開關(guān)電源恒功率輸出型開關(guān)電源。它們均采用TOPSwitch或TOPSwitch-Ⅱ系列單片開關(guān)電源集成電路,再配上相應(yīng)的外圍電路(含控制環(huán)路)設(shè)計(jì)而成,具有不同的輸出特性和應(yīng)用領(lǐng)域,能滿足不同用戶的需要。

復(fù)合型開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

復(fù)合型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)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(guān)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(jié)合起來,把單片開關(guān)電源當(dāng)作前級(jí)穩(wěn)壓器,再由線性集成穩(wěn)壓器進(jìn)行二次穩(wěn)壓,即可揚(yáng)長(zhǎng)避短,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),構(gòu)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(jiǎn)單,成本低廉;
(2)配LM317型三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器,使輸出
電壓連續(xù)可調(diào),并能進(jìn)一步提高穩(wěn)壓性能;
(3)配LM2937(固定輸出)、LM2991(可調(diào)輸出)等型號(hào)的低壓差穩(wěn)壓器,可使復(fù)合型開關(guān)電源的效率得到進(jìn)一步提高。

采用兩級(jí)穩(wěn)壓的復(fù)合型開關(guān)電源,其電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均可達(dá)到±0.1%。

根據(jù)需要,還可為復(fù)合型開關(guān)電源增加欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、交流掉電保護(hù)、軟起動(dòng)等自動(dòng)保護(hù)功能。

復(fù)合型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)示例

具有掉電保護(hù)功能的復(fù)合型開關(guān)電源的電路如圖1所示。該電路利用一片TOP209型單片開關(guān)電源作前級(jí)穩(wěn)壓,再用LM2937型三端低壓差穩(wěn)壓器作后級(jí)穩(wěn)壓。LM2937在額定負(fù)載下的輸入-輸出壓差(UI-UO)≤0.6V,僅為L(zhǎng)M7805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(hù)電路由VT1、VT2、C7、R4~R6組成。其中,R5、R6和VT2用來檢測(cè)交流電壓,所設(shè)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(dāng)C7兩端電壓高于達(dá)林頓管VT1的發(fā)射結(jié)總壓降時(shí),VT1就導(dǎo)通,使TOP209的控制端電壓變成低電平。與此同時(shí)C5放電,將電源關(guān)斷。正常情況下,UI>70V,因VT2導(dǎo)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(shí)間與時(shí)間常數(shù)τ=R4•C7成正比。改變τ值即可設(shè)定供電時(shí)間。

一種具有掉電保護(hù)功能的復(fù)合型開關(guān)電源
圖1:一種具有掉電保護(hù)功能的復(fù)合型開關(guān)電源

15V、2A精密恒壓/恒流型開關(guān)電源的電路
圖2:15V、2A精密恒壓/恒流型開關(guān)電源的電路

這種開關(guān)電源適合作為節(jié)能型計(jì)算機(jī)(亦稱“綠色”PC機(jī))的輔助電源。當(dāng)交流掉電后,由輔助電源繼續(xù)供電一段時(shí)間,使微機(jī)能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來;當(dāng)?shù)綦姇r(shí)間超過設(shè)定時(shí)間時(shí),就自動(dòng)切斷輔助電源。

精密恒壓/恒流型開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

精密恒壓/恒流型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

精密恒壓/恒流型單片開關(guān)電源是采用單片開關(guān)電源,配上低功耗雙運(yùn)放和可調(diào)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(gòu)成的控制環(huán)相比(典型電路見參考文獻(xiàn)2),它具有恒壓與恒流準(zhǔn)確度高、外圍電路簡(jiǎn)單、電流檢測(cè)電阻的阻值很小、功耗低、能提高電源效率等優(yōu)點(diǎn),其電源效率可達(dá)80%。此類電源適宜作為筆記本電腦、攝錄像機(jī)的電池快速充電器。

精密恒壓/恒流型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)示例

15V、2A精密恒壓/恒流輸出式開關(guān)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(guān)電源(IC1),PC816A型線性光耦合器(IC2),可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431C(IC3),低功耗雙運(yùn)放LM358(IC4,內(nèi)部包括IC4a和IC4b兩個(gè)運(yùn)放)。該電路具有以下特點(diǎn):

(1)利用IC4b、IC3、VD5和取樣電阻R3、R4構(gòu)成電壓控制環(huán);由IC4a、VD6和過流檢測(cè)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(shí)刻,輸出為高電平的環(huán)路起控制作用;

(3)增加了次級(jí)偏壓繞組NSB給控制環(huán)路供電,次級(jí)偏壓USB能自動(dòng)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(shí)仍具有恒流特性,僅當(dāng)UO≤0.8V時(shí)才進(jìn)入自動(dòng)重起動(dòng)狀態(tài);

精密恒壓/恒流源的輸出特性
圖3:精密恒壓/恒流源的輸出特性

12V截流型開關(guān)電源的電路
圖4:12V截流型開關(guān)電源的電路

截流型開關(guān)電源的輸出特性
圖5:截流型開關(guān)電源的輸出特性

15W恒功率型開關(guān)電源的電路
圖6:15W恒功率型開關(guān)電源的電路

恒功率型開關(guān)電源的輸出特性
圖7:恒功率型開關(guān)電源的輸出特性

(4)使用一片TOP214Y型單片開關(guān)電源,使額定輸出功率達(dá)到30W;

(5)采用由運(yùn)放構(gòu)成的電流控制環(huán)時(shí),能將電流檢測(cè)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(guān)電源工作在恒壓區(qū)。當(dāng)IO接近于2A時(shí)進(jìn)入恒流區(qū),此時(shí)電流控制環(huán)起作用。IC4a的同相輸入端接電流檢測(cè)信號(hào)UR6,反相輸入端接分壓器電壓UFY。分壓器是由R5、R8和TL431C構(gòu)成的。IC4a在將UR6與UFY進(jìn)行比較之后,輸出誤差信號(hào)Ur2,再通過VD5和R1變成電流信號(hào),流入光耦中的LED,進(jìn)而控制TOP214Y的占空比,使電源的輸出電流IOH在恒流區(qū)內(nèi)維持恒定。顯然,VD5和VD6就相當(dāng)于一個(gè)“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(shí)線和虛線分別對(duì)應(yīng)于U=Umin=85VAC、U=Umax=265VAC兩種情況。

截流型開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

截流型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

截流型開關(guān)電源的特點(diǎn)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(duì)電機(jī)等負(fù)載起到保護(hù)作用。利用晶體管構(gòu)成的正反饋式截流控制環(huán),可實(shí)現(xiàn)上述功能,過載時(shí)將IO衰減到安全區(qū)域內(nèi)。

截流型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)示例

12V截流型開關(guān)電源的電路如圖4所示。該電路采用一片TOP202Y型單片開關(guān)電源。截流控制環(huán)由晶體管VT1、VT2、R1~R4、IC2構(gòu)成,其電路簡(jiǎn)單,成本低廉。要求VT1和VT2的參數(shù)應(yīng)具有良好的一致性,能構(gòu)成鏡像電流源。截流型開關(guān)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(gè)工作區(qū):恒壓區(qū)、截流區(qū)、自動(dòng)重起動(dòng)區(qū)。令輸出極限電流為ILM,下面對(duì)其輸出特性進(jìn)行分析。

1)當(dāng)IO<ILM時(shí),VT2截止,UO處于恒壓區(qū),即UO=12V基本不變。此時(shí)VT1工作在飽和區(qū),VT2呈截止?fàn)顟B(tài),截流控制環(huán)不起作用,開關(guān)電源工作在穩(wěn)壓區(qū)。電路中,R1為電流檢測(cè)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(nèi)變化。此時(shí)IO較小,R1上的壓降UR1較低,使VT2的發(fā)射結(jié)壓降UBE2=UR1+US<0.65V,VT2呈截止?fàn)顟B(tài),相當(dāng)于集電極開路,它對(duì)光耦反饋電路無分流作用。

2)當(dāng)IO≈ILM時(shí),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(shí)UR1≈0.3V,US≈0.57V,由于VT2的發(fā)射結(jié)壓降UBE2=UR1+US>0.7V,使VT2立即導(dǎo)通,而VDZ2因UO的降低而退出穩(wěn)壓區(qū)變成截止?fàn)顟B(tài)。于是,光耦LED上的電流就通過VT2分流。由于VT2的導(dǎo)通電阻很小,因此IF迅速增大,令TOP202Y的IC↑,占空比D↓,IO↓,開關(guān)電源進(jìn)入截流區(qū)。進(jìn)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(jìn)一步減小,對(duì)負(fù)載起到截流保護(hù)作用。

3)當(dāng)UO≤1.5V時(shí),由于VT2達(dá)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(jìn)行限流。在負(fù)載短路時(shí),短路電流ISS≈2.2A。

恒功率型開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

恒功率型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)思想

恒功率型單片開關(guān)電源的特點(diǎn)是,當(dāng)輸出電壓UO降低時(shí),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(guān)電源可作為高效、快速、安全的電池充電器,對(duì)筆記本電腦中的電池進(jìn)行充電。恒功率輸出特性近似為一條雙曲線。

恒功率型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)示例

由TOP202Y構(gòu)成的15V、15W恒功率型開關(guān)電源,電路如圖6所示。當(dāng)輸出電壓從15V(即100%•UO)降至7.5V(即50%•UO)時(shí),恒功率準(zhǔn)確度可達(dá)±10%。恒功率控制電路由VT1、VT2、VDZ3~VDZ5、R1~R7構(gòu)成。VT1工作在飽和區(qū)。VT1和VT2應(yīng)選參數(shù)一致性很好的3DK4B型開關(guān)管。R1為電流檢測(cè)電阻,VT2用來監(jiān)視R1上的壓降。該電路具有溫度補(bǔ)償特性,能對(duì)VT1、VT2的偏壓以及輸出電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)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(bǔ)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(jié)壓降UBE1與UBE2相等且具有相同的溫度系數(shù);
(3)電流檢測(cè)電阻(R1);
(4)電壓補(bǔ)償電路(VDZ2、R6、R4),可對(duì)VT2的發(fā)射結(jié)電壓UBE2進(jìn)行補(bǔ)償;
(5)電壓調(diào)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(nèi)保持恒定。

當(dāng)IO較小時(shí)VT2截止,而VDZ2處于穩(wěn)壓區(qū),開關(guān)電源工作在恒壓輸出方式下,UO=15V,此時(shí)恒功率控制電路不工作。設(shè)VT2的基極偏壓為UB2,僅當(dāng)UB2+UR1=UBE2時(shí),VT2才開始導(dǎo)通,而VDZ2立即截止,電路就從恒壓控制迅速轉(zhuǎn)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(guān)電源的輸出特性如圖7所示。從圖中可見,當(dāng) UO=15V時(shí)IO=1.02A,PO1=15V×1.02A=15.3W;UO=7.5V時(shí)IO=2.07A,PO2=15.5W。顯然,PO1≈PO2,這就是恒功率輸出的特點(diǎn)。

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