基于SG6859的反激式开关电源设计

2012-09-25李探元罗纯哲

通信电源技术 2012年1期

李探元，罗纯哲

（91245部队，葫芦岛125001）

0 引言

开关电源是一种利用开关功率器件并通过功率变换技术制成的直流稳压电源。它具有体积小、重量轻、效率高和对电网电压及频率的变化适应性强的特点。开关电源又被称为高效节能电源，其内部电路工作在高频开关状态，自身消耗的能量很低，一般电源效率可达80%以上，比普通线性稳压电源提高了一倍。开关电源的主电路拓扑有多种，从DC／DC变换输入与输出间有无变压器隔离，开关电源分为有变压器隔离和无变压器隔离，每类又有几种拓扑，即Buck（降压型）、Boost（升压型）、Buck－Boost（降压－升压型）、Cuk（串联型）及Sepic（并联型）等；按激励方式分，有自激式和反激式；按控制种类包括PWF（调频式）、PWM（调宽式）、PAF（调幅式）和RSM（谐振式）；按能量传递方式有连续模式和不连续模式。用的最多的是调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种：正激式（For war d）、反激式（Flyback）、半桥式（Half Bridge Mode）、全桥式（Full Bridge Mode）及推挽式（Push Draw Mode）等。若按开关管的开关条件可分为硬开关（Har d Switching）和软开关（Soft Switching）两种［1－3］。本文设计了一款基于SG6859的小功率开关电源，电路简单，适用范围广泛。

1 开关电源的原理

1.1 开关稳压电源原理

目前生产的开关电源大多采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制和混合调制方式。开关式稳压电源的基本电路框图如图1所示，交流电经整流得到直流电压进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

图1 开关稳压电源基本电路框图

控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉冲宽度调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

1.2 芯片SG6859简介

SG6859是Fairchil d公司的一款针对反激式变换器的PWM控制器，适用于30 W以下开关电源PWM控制，属于电流控制型脉冲控制器，启动电流仅为9 μA，工作电流3 mA，用其制作的电源可以在零负载或低负载时待机功耗低于0.5 W。该芯片还内置了诸如：过压、过流、短路和过载等保护功能，确保电源的安全运行，并且其外围电路设计简单，成本较低，是一款优秀的低功率开关电源控制芯片，广泛应用于摄像机、PDA、无绳电话的电池充电器和TV／DVD等的开关电源。

1.3 硬件电路模块框图

所设计的开关电源硬件电路模块框图如图2所示：

图2 硬件电路模块框图

1.3.1 主电路部分

从交流电网输入到直流输出的全过程，包括：

（1）EMI滤波电路：将电网存在的杂波过滤，同时阻止本机产生的杂波反馈到公共电网。

（2）整流与滤波电路：将电网交流电整流为较平滑的直流电，供下级变换。

（3）反激式变换器：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

（4）输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

1.3.2 反馈控制部分

（1）反馈电路：采样输出电压的变化并将此信号传输给PWM控制芯片。

（2）PWM控制电路：从反馈电路端取样，与设定标准进行比较，然后去控制功率MOS管的通断时间进而控制逆变器，改变其脉宽，达到稳定输出。另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。

2 电源设计指标

单路输出高精度的开关电源的设计指标如下：

输入电压：AC 100～240 V

输入频率：50／60 Hz

输出电路：DC 12 V／2 A

纹波电压：≤100 mA

负载调整率：≤3%

效率：≥80%

3 主电路工作原理

当电源接通时，交流220 V接入电路，首先通过由电容C1、电阻R1、R2和电感L1组成的电磁兼容（EMI）滤波器，如图3所示，电磁兼容滤波器的作用是滤除电网中的干扰信号，同时防止电路中产生的高频信号倒灌入电网污染电网。

图3 电磁兼容模块

由VD1～VD4和C2组成的整流滤波电路在变压器的原边产生一个300 V的直流电压，R3、R4为启动电阻，VD6、C6构成工作电压整流电路，为SG6859提供3 mA工作电流，R10为开关管过流保护取样电阻，如图4所示。

当MOS导通时，变压器初级线圈电流增加，磁场增强，次级二极管VD51截止（选择肖特基二极管以降低功耗），由电容C54向负载供电，此时，变压器初级起到储能作用。当MOS截止，变压器初级线圈中电流减小，磁场减弱，次级二极管VD51导通，能量通过二极管VD51向负载释放，输出直流电压。

电源中的稳压电路由MOS管TD1源极串接电阻R7，把电流信号变为电压信号，送入SG6859作为比较电压，控制激励脉冲的占空比，达到稳压目的。

外部误差放大器由TL431组成，当12 V输出电压升高时，经R56、R57分压后得到的取样电压与TL431中的2.5 V基准电压进行比较，使TL431阴极的电位降低，LED的工作电流增大，再通过光耦使控制端电流Ic增大，SG6859的输出占空比减小，使U0维持不变，达到稳压目的。R53是LED限流电阻，误差频响由R55、C56决定。

光耦隔离：由于控制电路对噪声敏感，为了保证开关电源的正常工作，必须将主电路与控制电路隔离。电路采用PC817将电源中的两部分进行电气隔离，一部分作为控制电路电源的变压器副边辅助电源，另一部分是主电路，这样就防止了噪声通过传导的途径传入到控制电路中。

变压器初级中的电阻R5、R6和电容C3构成了吸收回路，目的是消除由于电应力的瞬变产生的尖峰干扰，如电路中MOS管TD1导通时产生的尖峰。