0 引 言

　　開關(guān)電源是一種利用開關(guān)功率器件并通過功率變換技術(shù)而制成的直流穩(wěn)壓電源,。它具有體積小,、重量輕、效率高,、對電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),。開關(guān)電源又被稱為高效節(jié)能電源，內(nèi)部電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài),，自身消耗的能量很低,，一般電源效率可達(dá)80 %以上，比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍,。

　　開關(guān)電源的主電路拓?fù)溆泻芏喾N,，從DC/DC 變換輸入與輸出間有無變壓器隔離，開關(guān)電源分為有變壓器隔離和無變壓器隔離,，每類又有幾種拓?fù)?，即Buck(降壓型)、Boost (升壓型),、Buck-Boost (升壓-降壓型),、Cuk(串聯(lián)式)及Sepic (并聯(lián)式)等;按激勵(lì)方式分，有自激式和它激式;按控制種類包括PWF(調(diào)頻式),、PWM(調(diào)寬式),、PAM(調(diào)幅式)和RSM(諧振式)4 種;按能量傳遞方式有連續(xù)模式和不連續(xù)模式。用的最多的是調(diào)寬式變換器,。調(diào)寬式變換器有以下幾種:正激式(Forward ),、反激式(Feedback )、半橋式(Half Bridge Mode ),、全橋式(Full Bridge Mode )及推挽式(Push Draw Mode )等,。若按開關(guān)管的開關(guān)條件可分為硬開關(guān)(Hardswitching)和軟開關(guān)(Softswitching)兩種。根據(jù)對開關(guān)電源的各種拓?fù)浜涂刂品绞降募夹g(shù)要求,，工程實(shí)際的實(shí)現(xiàn)難易,，電器性能及成本等指標(biāo)的總結(jié)，本文選用有變壓器隔離的自激型反激式拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)這款多路輸出高精度的開關(guān)電源。

　　1  開關(guān)電源的原理

　　多路輸出高精度的開關(guān)電源原理如圖1 所示,。

圖1  開關(guān)電源原理圖

　　一般開關(guān)電源由圖1 中所示四部分組成,。輸入電路主要由防雷、濾波,、浪涌電流抑制,、整流電路等構(gòu)成。

　　作用是把輸入電網(wǎng)交流電源轉(zhuǎn)化為符合電源輸入要求的直流電源,。變換電路含開關(guān)電路,、變壓器及RCD 吸收電路等，是開關(guān)電源能量變換的主通道,?？刂齐娐泛与娐罚菊撐牟捎么笞柚惦娮璺謮喝?，含基準(zhǔn)電源,，此處用TL431 產(chǎn)生2 。5V 基準(zhǔn)電源,。此外還有誤差放大及脈沖驅(qū)動(dòng)電路,，取樣的誤差信號經(jīng)光耦線性放大誤差信號同時(shí)反饋產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的矩形脈沖，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的,。輸出電路包含整流,、濾波，把輸出電壓整流成脈動(dòng)直流,，并平滑成低紋波直流電壓,。本論文實(shí)現(xiàn)的電源，具有設(shè)計(jì)簡單,，體積小,，效率高，紋波小及適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn),。

　　2  開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　多路輸出高精度的開關(guān)電源的主要設(shè)計(jì)要求如下:

　　輸入電壓:AC132 V～264 V

　　輸入頻率:50/60 Hz

　　輸出四路電壓:U1 24 V/0.5 A,、U2-9 V/0.8 A、

　　U3 9 V/0.8 A,、U4 5 V/3 A

　　輸出功率:40 W

　　紋波電壓:≤100 mV

　　負(fù)載調(diào)整率:≤3 %.

　　2 .1  設(shè)計(jì)原理

　　圖2 是自激式多路輸出穩(wěn)壓開關(guān)電源的原理圖,。

　　圖中X1_C1 、X1_C2 ,、Y_C1 ,、Y_C1及L 組成EMI 電路，用來濾除電網(wǎng)中的共模差模信號,，同時(shí)避免開關(guān)電源對電網(wǎng)造成污染,。L 為共模扼流圈,，共模扼流圈是開關(guān)電源、變頻器,、UPS 電源等設(shè)備中的一個(gè)重要部分,。當(dāng)工作電流流過兩個(gè)繞向相反的線圈時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)相互抵消的磁場,，如果有共模干擾信號流過線圈時(shí),，線圈對共模信號即呈現(xiàn)出高阻抗，產(chǎn)生很強(qiáng)的阻尼效果,，達(dá)到衰減干擾信號作用,。X1_C1 、X1_C2 ,、Y_C1及Y_C2為安規(guī)電容,，其中X1_C1與X1_C2為X 安規(guī)電容，Y_C1和Y_C2為Y 安規(guī)電容,，它們用在電源濾波器里，與L 起到電源濾波作用,，分別對共模,，差模工擾起濾波作用。安規(guī)電容的特性是電容器失效后,，不會導(dǎo)致電擊穿,，不危及人身安全。RV為壓敏電阻,，具有防雷作用,，也可用TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)，由于壓敏電阻具有良好的非線性特性,、通電流大,、殘壓水平低、動(dòng)作快和無續(xù)流等特點(diǎn),，被廣泛用于電子設(shè)備防雷,。

　　開關(guān)電源系統(tǒng)壓敏電阻相當(dāng)于D 級防雷器，對于220V線路,，壓敏電阻的選取為,，220×1 .4×1 .4=430 V，所以壓敏電阻選型為470 V,。RT 為熱敏電阻,，開機(jī)時(shí)，220 V交流電經(jīng)過整流后對大電容充電,，而電容的特性是瞬間充電電流為最大,，從而對前邊的橋和保險(xiǎn)絲帶來沖擊,，容易造成器件上電時(shí)損壞，為了提高電源設(shè)計(jì)的安全系數(shù),，常在保險(xiǎn)之后加入電阻進(jìn)行限流,，電阻越大時(shí)，雖然限流效果好,，但是電阻消耗的電能也是很大的,，開關(guān)電源啟動(dòng)后，限流電阻已沒有作用,，反而浪費(fèi)電力,。為了達(dá)到較好限流效果而又省電，現(xiàn)在的開關(guān)電源經(jīng)常采用負(fù)溫度熱敏電阻作限流使用,，吸收浪涌電流,。負(fù)溫度熱敏電阻的特性是，溫度越高,，電阻越小,。為了減小電源體積及復(fù)雜度，此處避免了使用繼電器等組成的防浪涌電路,，經(jīng)過試驗(yàn),，達(dá)到了非常好的效果。變壓器T,，RCD(R2 ,，C1 ，D1 )吸收電路及開關(guān)管構(gòu)成了此電源的能量轉(zhuǎn)換電路,，本電路采用單端反激,，是一種比較成熟的電源變換電路，變壓器既作為隔離器件,，又作為儲能器件,。此變壓器采用EI 骨架，初級線圈電感量在1 .2 ～1 .3 mH 之間,，在繞制變壓器時(shí),，自激繞組要靠外圈，初級繞組分兩組疊加,，一組在內(nèi),，一組在外，可防止磁通飽和影響電源效率,。此變壓器屬于常規(guī)變壓器,，不再多述，開關(guān)管的選取要注意漏源級的耐壓,，最大工作電流,，導(dǎo)通電阻,，耗散功率及一些開關(guān)時(shí)間等。RCD 吸收電路的功能是吸收因變壓器初級繞組在工作時(shí)產(chǎn)生的自感電勢,，避免在開關(guān)管集電極截止瞬間出現(xiàn)過高的反峰高電壓損壞開關(guān)管而設(shè)的,。開關(guān)管工作時(shí)一直處于導(dǎo)通與截止，循環(huán)工作,，所以吸收回路一直是有電流通過的,，這個(gè)電流的大小隨開關(guān)電源的功率大小而不同，使得吸收回路的元器件取值也不一樣,，RCD 吸收電路中的R 值如過小,，就會降低開關(guān)電源的效率。然而,，如R 值過大,，MOS 管就存在著被擊穿的危險(xiǎn)。本電路選用10 kΩ/2 W,，電容選用0.01 μF/1 kV,，D1選用耐壓1 kV的HER107 。輸出電路主要包含整流濾波,，三端穩(wěn)壓器及假電阻等,。選用合適的濾波電容及假電阻可減小電源輸出紋波和提高電源效率。

圖2  自激式多路輸出穩(wěn)壓開關(guān)電源原理圖

　　圖2 中光耦器件PC817 ,，TL431 及框中自激電路組成了本電源的控制電路。R16 ,、R17是取樣電阻,，TL431 為可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，通過改變電阻R16和R17的分壓值,，可小范圍改變輸出電壓值,。R15和C20為TL431 的頻率補(bǔ)償電路，可以提高TL43l 的瞬態(tài)頻率響應(yīng),。關(guān)于反饋回路的設(shè)計(jì),，實(shí)際上就是確定R13 、R14的阻值及選定合適的光耦合器件,，首先要選定線性度好的光耦合器件,，因?yàn)檫@樣可以把輸出線性的反應(yīng)到自激電路，可以由自激電路產(chǎn)生線性變化的脈沖,，從而線性的反比例控制開關(guān)管的截止與導(dǎo)通,。而目前國內(nèi)常用的4N25 系列光耦屬于非線性光耦合器，不宜采用,。其次要注意光耦合器件的CTR(電流傳輸比)值,。使用光電耦合器主要是為了提供隔離,，同時(shí)又能將輸出的變化線性的反應(yīng)在自激控制電路中，容易線性的控制開關(guān)管的占空比,。光耦合器的CTR 的允許范圍是50 %～200 %,，這是因?yàn)楫?dāng)CTR<50 %時(shí)，光耦中的輸入級就需要較大的工作電流,，這會增大光耦的功耗,。若CTR>200 %，在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí),，有可能影響正常輸出,。PC817 的CTR 線性范圍為80 %～160 %，能夠較好地滿足反饋回路的設(shè)計(jì)要求,。確定好光耦后,，就要確定R13 、R14 ,，需要注意的是,，在選擇電阻時(shí)必須保證TL431 工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA ,。R13為PC817的外部限流電阻,。實(shí)際上除了限流保護(hù)作用外，它對控制回路的增益也具有重要影響,。當(dāng)R13改變時(shí),，會影響到光耦的輸入電流，然后影響光耦的輸出電流,，進(jìn)而影響開關(guān)管的占空比,，也就相當(dāng)于改變了控制回路的電流放大倍數(shù)。此電路中R13取100 Ω,，在光耦輸入端和R13上并聯(lián)R14是為了在光耦輸入電流接近于0時(shí),，為了保證TL431 陰極不低于1 mA的工作電流而設(shè)置的。

　　2 .2  電源反饋電路原理

　　圖2 中方框圖是自激電路,，是本論文的核心,，是電源的脈沖生成及控制部分。三極管工作于開關(guān)狀態(tài),，開通與截止的時(shí)間受PC817 輸出端電流和取樣電阻R7的影響,。用示波器可觀察到圖2 方框圖中穩(wěn)壓管，三極管,，取樣電阻都工作于矩形脈沖下,。下面簡要分析一下反饋回路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的工作過程。當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí),，通過取樣電阻R16 ,、R17分壓后,，就使TL431 上的光耦輸入電流If產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而使PC817 中輸出電流Ic改變,，Ic的改變使三極管基極的電流Ib改變,，進(jìn)而改變了基極電壓Ub ，改變了三極管的導(dǎo)通時(shí)間,，從而改變了開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間,，即占空比D，使Uo產(chǎn)生了相反的變化,，以保持Uo的穩(wěn)定,。上述穩(wěn)壓過程可歸納為:Uo ↑→If ↑→Ic ↑→Ib ↑→Ub ↑→D↓→Uo ↓。如此一個(gè)循環(huán)后Uo下降,，使電源達(dá)到穩(wěn)定,。

　　開關(guān)管電壓波形如圖3 。

圖3  開關(guān)管波形圖

　　圖3 是輸入AC220 V,，輸出空載,、半載及全載時(shí)，開關(guān)管漏極和源級兩點(diǎn)的輸出波形圖,，示波器為10 倍衰減,，圖形顯示縱坐標(biāo)為5 V/div，橫坐標(biāo)為2 μs/div,。

　　可見開關(guān)頻率隨負(fù)載的大小而反比例變化,。

　　3  結(jié)束語

　　根據(jù)上述原理，進(jìn)行了電源設(shè)計(jì)并制作了樣機(jī),，調(diào)試后性能穩(wěn)定,。如圖3 是電源輸入AC220 V，開關(guān)管漏源級在電源空載,、半載及全載時(shí)的波形。表1 是在空載,、半載及全載時(shí)所測的四路輸出電壓值,。

表1  四路輸出實(shí)測結(jié)果

　　此電源電路簡單，自激電路設(shè)計(jì)新穎,，所用元件少,，效率達(dá)到82 %以上，紋波電壓90 mV,，因此完全符合設(shè)計(jì)要求,。此外開關(guān)管占空比與輸入交流電壓成正比，與頻率成反比,。當(dāng)電壓從低調(diào)到AC220 V 時(shí),，從示波器看開關(guān)管漏源極波形會發(fā)現(xiàn)開關(guān)頻率從不到100 kHz 上升至電源空載時(shí)圖3 中a圖所示的電源空載頻率300 kHz ,。當(dāng)電源工作于設(shè)計(jì)要求的電壓時(shí)，負(fù)載不隨輸入電壓變化,，再從示波器看開關(guān)管漏源極波形時(shí)會發(fā)現(xiàn),，輸入電壓不變的時(shí)候，開關(guān)管的工作頻率與負(fù)載大小成反比,。因而此電源能夠適應(yīng)輸入與輸出寬范圍變化的工作環(huán)境,。由于此電源工作于幾百千赫茲的頻率，效率比較高,，所以要求開關(guān)管用高頻率開關(guān)管,。此電源還可稍做修改，將TL431 改為TLV431 ,，再把R16 ,、R17換個(gè)阻值，其它無須更改即可將輸出5 V/3 A改為3 ,。3 V/4 A 輸出,，也可將±9 V變壓器繞組增加2 圈或4 圈，分別將三端穩(wěn)壓器改為7812 與7912 ,、7815 與7915 ,，這樣可輸出±12 V，±15V的電壓,，此時(shí)電流不超0,。6 A。此電源應(yīng)用范圍廣,，輸出電壓精度卻不低,。