小功率通用开关稳压电源的分析与设计

许志伟,谢卫才,林友杰,王志涛

(湖南工程学院电气信息学院,湘潭 411101)

小功率通用开关稳压电源的分析与设计

许志伟,谢卫才,林友杰,王志涛

(湖南工程学院电气信息学院,湘潭 411101)

利用芯片TOP249Y为核心来设计开关电源电路,详细讨论了电路的工作原理和高频变压器的参数计算,输出整流滤波电路,稳压反馈电路.本设计电路效率很高,体积小,能省去工频变压器.同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能.

开关电源;线性光耦合器PC817A;可调式精密并联稳压器T L431

0 引 言

本文设计的开关电源的基本技术指标为:①交流输入电压 UACI:220V(85～265 V);②电网频率:50 Hz;③开关电源频率f:132 kHz;④输出直流电压Uo:19 V;⑤输出额定电流Io:3.6 A;⑥额定输出功率Po:70 W;⑦负载调整率SI:-4%～+4%;⑧电源效率H:高于84%(当交流电压 UACI=85 V时,满载效率可达85%;当UACI=230V时,电源效率高达 90%);⑨空载功率损耗:低于0.52 W(UACI=230V时);⑩输出纹波电压:不高于120 mV(峰-峰值).

1 开关电源电路中关键元器件的选择与设计

1.1 TOP249Y的管脚功能

TOP249Y采用 TO-220-7C封装形式,是TOP Switch的第三代产品,其外形如图1所示.它有六个管脚依次为:控制端C、线路检测端L、极限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极Do.各管脚如下:

图1 TOP249Y外形及管脚图

选择TOP249Y能够满足本设计输出功率与输入电压的要求.

1.2 线性光耦合器PC817

光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件.通常是把发光器(发光二极管LED)和受光器(光敏晶体管)封装在同一管壳内.当输入端加电信号时,发光器发出光线,照射在受光器上,受光器接受光线后导通,产生光电流从输出端输出,从而实现了“电-光-电”的转换.

1.3 可调式精密并联稳压器T L431

本设计的基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器TL431来完成.在反馈电路的应用中运用采样电压通过TL431限压,再通过光电耦合器PC817把电压反馈到TOP249Y的控制端C端.

2 基于TOP249Y的开关电源设计

利用TOP249Y设计了一种新型单端反激式开关电源[1],其输出分别为19 V/3.6 A,电路原理如图2所示.从该电路原理图中可以看出,电阻R9和R10用来从外部设定功率开关管的漏极极限电流,使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电流ID(PK).这就允许在电源起动过程中或输出负载不稳定但未出现饱和的情况下,采用较小尺寸的高频变压器.将F端与S端短接可将TOP249Y设为全频工作方式,开关频率为132 kHz.当输入直流电压过压时,R9和R10还能自动降低最大占空比Dmax,对最大负载功率加以限制.而R11为欠压、过压检测电阻,在线路检测端L与直流输入电压UDCI端连接电阻R11可进行线路检测,并能给线路提供电压反馈,以减少开关频率的波动.取 R11=2 MΩ时,仅当直流输入电压UDCI达到100V时,电源才能起动.TOPSwitch-GX的欠压电流IUV=50μA,过压电流 IOV=225μA.因此其欠压保护工作电压为 100V,过压保护工作电压为 450V,即TOP249Y在本电路中的直流电压范围为100～450V,一旦超出了该电压范围,TOP249Y将自动关闭.另外,空载时,TOP249Y能自动降低开关频率,使得在交流230V输入时电源损耗仅为520 mW.TOP249Y具有频率抖动特性,这对降低电磁干扰很有帮助.

图2 高效率70W通用开关电源电路原理图

当然,在过压时最大占空比Dmax随流入X端的电流IX的增大而减小,当IX从90μA增加到190μA时,最大占空比 Dmax就从78%(对应于 UUV=100V)线性地降低到47%(对应于375 V).在掉电后,欠压检测能在C1放电时减少输出干扰,只要出现输出调节失效或者输入电压低于40V的情况,都会使TOPSwitch-GX关闭.当开关电源受到450V以上的冲击电压时,R11同样可使TOP249关断,避免元器件受到损坏.但一般说来,由于交流输入电压在85～265 V范围内,经整流滤波后的直流输入电压就在110～345 V范围内波动,不会超出100～450V的范围,所以本设计的开关电源相对安全.另外,在TOP249Y的外端加接了由VDZ1和VD1构成的漏极钳位电路.在功率MOSFET关断瞬间,高频变压器初级漏感会产生尖峰电压UL,那么就利用由VDZ1和VD1构成的漏极钳位电路来保护MOSFET不受损坏.同时,高频变压器初级漏感在初级绕组上还会产生感应电压(即反向电动势)UOR,两者叠加在直流输入电压UDCImax上,加至内部功率开关管MOSFET的漏极上.这就要求功率MOSFET至少能承受700V高压,UBRDS≥700V.所以,UOR+UDCImax+UL≤700V,将 UOR=73 V,UDCImax=345 V带入式中得UL≤200V.因此,VDZ1采用钳位电压为200V的P6KE200型瞬态电压抑制器,VD1选用UF4006型超快恢复二极管,其反向耐压为800V,并将电容C11和 VDZ1并联,以减少钳位损耗.在MOSFET截止瞬间,初级极性则变为上负下正,此时尖峰电压就被VDZ1吸收掉.

2.1 该开关电源高频变压器的参数计算

在单端反激式开关电源中,高频开关变压器既是储能元件又是传递能量的主体,设计难度较大,是一个十分关键的环节[2].设计的主要参数包括变压器变比n,初、次级绕组匝数NP、NS和反馈绕组匝数NF等.

2.1.1 选择恰当的磁芯与骨架

由于该电源的输出功率较为70 W,高频变压器的漏感应尽量小,一般应选用能够满足132 kHz开关频率的锰锌铁氧体,为便于绕制,磁芯形状可选用EI或EE型,变压器的初、次级绕组应相间绕制.参考其他同类型相关的实验数据资料,本设计就选用R2KDP锰锌铁氧体材料制成的EE22型铁氧体磁芯,R2KDP属于高频低功耗电源铁氧体材料.

当开关电源的额定输出功率PO=70 W时,设开关电源的效率H达到85%～90%,则高频变压器的额定输入功率PI=PO/H=70 W/(85%～90%)=80 W.

输入直流最小电压UDCImin=110V;最大导通时间ton=Dmax/f;占空比(也称导通比)是漏极脉宽调制信号中的低电平通态时间ton与开关周期T的百分比,而开关周期T=ton+toff,则Dmax=ton/T=ton/(ton+toff)为设定的最大占空比,通常取Dmax=0.4;开关频率f=132 kHz;电源预测效率值H=(85%～90%).

2.1.2 初级感应电压UOR的计算

TOPSwitch关断且次级电路处于导通状态时,次级电压会感应到初级.初级感应电压UOR是开关管断开期间初级感应到的电压值.UDCImin=110,则由公式(1)计算:

计算得到:UOR=73 V.

2.1.3 确定变压器各绕组匝数

(1)变压器变比的计算

当TOP249Y中的MOSFET关断时,储存在变压器初级中的能量开始向次级传递,次级两路绕组的电压US1、US2可表示为:

变压器次级电压与输出电压的关系为:

其中变压器次级绕组压降UL为0.3 V,输出整流共阴极肖特基对管VD2、VD3压降UF为0.4 V.变压器的变比n可表示为:

计算得n=0.2699=0.27.

(2)变压器初级、次级及反馈绕组匝数的计算

根据单端反激式变压器的工作磁通密度及法拉第电磁感应定律εi=-N×dB/dt×S,另外参考同类型相应实验数据资料,可得到初级线圈匝数NP、次级线圈匝数NS,即NP=50匝,而 NS=NP×US1/UOR=13.5,取 14 匝 .

(3)反馈绕组匝数的计算公式为:

将UB=30V,UF=0.7 V带入得NB=21.0,取21匝.

2.2 输出整流滤波电路的设计

输出整流滤波电路由 VD2、VD3、C2、C3、L1、C4和C14构成.

(1)输出整流电路的设计

输出整流管宜采用肖特基二极管,肖特基二极管是利用金属和半导体接触产生的势垒作用的二极管,它是以多数载流子工作的,因而在开关时没有少数载流子存储电荷和移动效应.其压降低、正向导通损耗小,能提高电源效率.此外肖特基二极管反向恢复时间短,在降低反向恢复损耗以及消除输出电压纹波方面有明显的优势[3].

最高反向工作电压UBR=19.7 V,整流管实际承受最大反向峰值电压URM=(2～3)UBR=50V.并且,额定输出电流IO=3.6 A,则整流管标称电流IFI≥(2～3)IO=10 A.为了减小次级绕组和输出整流管的损耗,现将次级绕组分成两路,每路单独使用一只MBR20100型20 A/100V的共阴极肖特基对管(VD2、VD3),然后并联工作.之后串接 LC电路,进行滤波[4].

(2)输出滤波电路的设计

滤波电容在132 kHz时,相对于输入滤波电路,输出滤波电路要进行高频滤波.参考与本设计同类型相关的实验数据资料,选用滤波电容C2、C3、L1、C4和C14来构成高频滤波电路.串加LC滤波电路进一步降低纹波.电容C2、C3、C4分别取820 μ F,耐压值 25 V;C14 取 0.1 μ F,耐压值 50V;L1取200 μ H,用来减少输出端的高频干扰.一般来说,当IO小于1 A时可采用由非晶合金磁性材料制成的磁珠,大于1 A时选用磁环绕制而成的扼流圈.而本设计的额定输出电流IO=3.6 A,故须选用磁环绕制而成的扼流圈.

滤波电容、电感是组成滤波电路的重要器件.需要指出的是,电容、电感通常不是理想的电容电感.实际上是一个R、L、C的综合器件.

2.3 稳压反馈电路设计

反馈回路的形式由输出电压的精度决定,本电源采用“光耦PC817+T L431”.它可以将输出电压变化控制在±4%以内,反馈电压由19 V/3.6 A的直流输出端取样.输出电压UO通过电阻分压器R4、R5和R6获得取样电压后,与 TL431中的2.5 V基准电压进行比较后输出误差电压,然后通过光耦去改变TOP249Y的控制端电流IC,进而使占空比发生变化,再通过改变占空比来调节输出电压UO使其保持不变.光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离.反馈绕组的输出电压经VD4、C15整流滤波后,可给光耦中的接收管提供偏压.C15还与R8构成的尖峰电压,经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时,也能保持稳定.R7、C9、C10和R3、C5、C8均为控制环路的补偿元器件.

3 结束语

单片开关电源的效率很高,体积小,能省去工频变压器,输出直流电压的纹波含量比同功率线性电源大,可与其他相应的稳压器构成理想的高效、精密稳压电源.TOPSwitch-GX适合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式开关电源模块或电源适配器(adapter).本设计的交流输入电压范围是85～265 V,这属于全世界通用的电压范围,该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能.

[1]玛尼克塔拉(美).开关电源设计与优化[M].电子工业出版社,2006.

[2]普莱斯曼(美).开关电源设计[M].电子工业出版社,2006.

[3]杨 恒.开关电源典型设计实例精选[M].中国电力出版社,2007.

[4]刘立平.电力电子技术[M].中国电力出版社,2007.

The Analysis and Design of Low Power Universal Switching Power

XU Zhi-wei,XIE Wei-cai,LIN You-jie,WANG Zhi-tao
(College of Elect.and Information Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

A switching power supply circuit is designed by using the core chip TOP249Y in this paper.Then the working principle of the circuit,the parameters of high frequency transformer,the output rectifier filter circuit and the the voltage regulator feedback circuit are discussed in detail.The circuit is highly efficient and small,and the frequency transformer can be omitted.At the same time,it has functions of inputing under-voltage protection,over-voltage protection,current limit set from the outside and reducing the maximum duty ratio.

switching power supply;linear optocouplersPC817A;adjustable precision shunt regulator T L431

TN86

A

1671-119X(2010)01-0013-04

2009-09-01

许志伟(1978-),男 ,硕士,讲师,研究方向 :电力电子.