基于SG6859的反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

李探元，羅純哲

（91245部隊(duì)，葫蘆島125001）

0 引 言

開關(guān)電源是一種利用開關(guān)功率器件并通過(guò)功率變換技術(shù)制成的直流穩(wěn)壓電源。它具有體積小、重量輕、效率高和對(duì)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，其內(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)壓電源提高了一倍。開關(guān)電源的主電路拓?fù)溆卸喾N，從DC／DC變換輸入與輸出間有無(wú)變壓器隔離，開關(guān)電源分為有變壓器隔離和無(wú)變壓器隔離，每類又有幾種拓?fù)?，即Buck（降壓型）、Boost（升壓型）、Buck－Boost（降壓－升壓型）、Cuk（串聯(lián)型）及Sepic（并聯(lián)型）等；按激勵(lì)方式分，有自激式和反激式；按控制種類包括PWF（調(diào)頻式）、PWM（調(diào)寬式）、PAF（調(diào)幅式）和RSM（諧振式）；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（For war d）、反激式（Flyback）、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)（Har d Switching）和軟開關(guān)（Soft Switching）兩種［1－3］。本文設(shè)計(jì)了一款基于SG6859的小功率開關(guān)電源，電路簡(jiǎn)單，適用范圍廣泛。

1 開關(guān)電源的原理

1.1 開關(guān)穩(wěn)壓電源原理

目前生產(chǎn)的開關(guān)電源大多采用脈寬調(diào)制方式，少數(shù)采用脈沖頻率調(diào)制和混合調(diào)制方式。開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖1所示，交流電經(jīng)整流得到直流電壓進(jìn)入高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?/p>

圖1 開關(guān)穩(wěn)壓電源基本電路框圖

控制電路為脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈沖寬度調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種集成電路?？刂齐娐酚脕?lái)調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

1.2 芯片SG6859簡(jiǎn)介

SG6859是Fairchil d公司的一款針對(duì)反激式變換器的PWM控制器，適用于30 W以下開關(guān)電源PWM控制，屬于電流控制型脈沖控制器，啟動(dòng)電流僅為9 μA，工作電流3 mA，用其制作的電源可以在零負(fù)載或低負(fù)載時(shí)待機(jī)功耗低于0.5 W。該芯片還內(nèi)置了諸如：過(guò)壓、過(guò)流、短路和過(guò)載等保護(hù)功能，確保電源的安全運(yùn)行，并且其外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，是一款優(yōu)秀的低功率開關(guān)電源控制芯片，廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)、PDA、無(wú)繩電話的電池充電器和TV／DVD等的開關(guān)電源。

1.3 硬件電路模塊框圖

所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源硬件電路模塊框圖如圖2所示：

圖2 硬件電路模塊框圖

1.3.1 主電路部分

從交流電網(wǎng)輸入到直流輸出的全過(guò)程，包括：

（1）EMI濾波電路：將電網(wǎng)存在的雜波過(guò)濾，同時(shí)阻止本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。

（2）整流與濾波電路：將電網(wǎng)交流電整流為較平滑的直流電，供下級(jí)變換。

（3）反激式變換器：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。

（4）輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

1.3.2 反饋控制部分

（1）反饋電路：采樣輸出電壓的變化并將此信號(hào)傳輸給PWM控制芯片。

（2）PWM控制電路：從反饋電路端取樣，與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制功率MOS管的通斷時(shí)間進(jìn)而控制逆變器，改變其脈寬，達(dá)到穩(wěn)定輸出。另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的資料，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。

2 電源設(shè)計(jì)指標(biāo)

單路輸出高精度的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

輸入電壓：AC 100～240 V

輸入頻率：50／60 Hz

輸出電路：DC 12 V／2 A

紋波電壓：≤100 mA

負(fù)載調(diào)整率：≤3%

效率：≥80%

3 主電路工作原理

當(dāng)電源接通時(shí)，交流220 V接入電路，首先通過(guò)由電容C1、電阻R1、R2和電感L1組成的電磁兼容（EMI）濾波器，如圖3所示，電磁兼容濾波器的作用是濾除電網(wǎng)中的干擾信號(hào)，同時(shí)防止電路中產(chǎn)生的高頻信號(hào)倒灌入電網(wǎng)污染電網(wǎng)。

圖3 電磁兼容模塊

由VD1～VD4和C2組成的整流濾波電路在變壓器的原邊產(chǎn)生一個(gè)300 V的直流電壓，R3、R4為啟動(dòng)電阻，VD6、C6構(gòu)成工作電壓整流電路，為SG6859提供3 mA工作電流，R10為開關(guān)管過(guò)流保護(hù)取樣電阻，如圖4所示。

當(dāng)MOS導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)線圈電流增加，磁場(chǎng)增強(qiáng)，次級(jí)二極管VD51截止（選擇肖特基二極管以降低功耗），由電容C54向負(fù)載供電，此時(shí)，變壓器初級(jí)起到儲(chǔ)能作用。當(dāng)MOS截止，變壓器初級(jí)線圈中電流減小，磁場(chǎng)減弱，次級(jí)二極管VD51導(dǎo)通，能量通過(guò)二極管VD51向負(fù)載釋放，輸出直流電壓。

電源中的穩(wěn)壓電路由MOS管TD1源極串接電阻R7，把電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，送入SG6859作為比較電壓，控制激勵(lì)脈沖的占空比，達(dá)到穩(wěn)壓目的。

外部誤差放大器由TL431組成，當(dāng)12 V輸出電壓升高時(shí)，經(jīng)R56、R57分壓后得到的取樣電壓與TL431中的2.5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，使TL431陰極的電位降低，LED的工作電流增大，再通過(guò)光耦使控制端電流Ic增大，SG6859的輸出占空比減小，使U0維持不變，達(dá)到穩(wěn)壓目的。R53是LED限流電阻，誤差頻響由R55、C56決定。

光耦隔離：由于控制電路對(duì)噪聲敏感，為了保證開關(guān)電源的正常工作，必須將主電路與控制電路隔離。電路采用PC817將電源中的兩部分進(jìn)行電氣隔離，一部分作為控制電路電源的變壓器副邊輔助電源，另一部分是主電路，這樣就防止了噪聲通過(guò)傳導(dǎo)的途徑傳入到控制電路中。

變壓器初級(jí)中的電阻R5、R6和電容C3構(gòu)成了吸收回路，目的是消除由于電應(yīng)力的瞬變產(chǎn)生的尖峰干擾，如電路中MOS管TD1導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的尖峰。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 主電路模塊電路圖

根據(jù)上述原理，進(jìn)行了開關(guān)電源設(shè)計(jì)并制作了樣機(jī)，調(diào)試后電源的指標(biāo)滿足性能要求：輸入電壓AC 100～240 V 50／60 k Hz，單路輸出單路電壓DC 12 V，最大輸出電流2 A，紋波電壓小于100 mV，負(fù)載調(diào)整率小于3%，效率達(dá)到80%。該電源已投入使用，運(yùn)行良好。

［1］ 張 偉，曾 成，張 靜.一種高精度的自激式多路輸出穩(wěn)壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］.通信電源技術(shù)，2010，27（4）：46－48.

［2］ 趙同賀.開關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［3］ 楊 旭.開關(guān)電源技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］ 周志敏.高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［5］ 吳良斌.現(xiàn)代電子系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［6］ 周志敏.單片開關(guān)電源—應(yīng)用電路·電磁兼容·PCB布線［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.