小功率、寬輸入、高帶載能力開關(guān)電源的設(shè)計與制作

俞先鋒

(浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江 杭州 310018)

0 引言

目前市場上小功率、寬輸入開關(guān)電源或適配器產(chǎn)品已是琳瑯滿目，款式繁多，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用產(chǎn)品之中，擔(dān)當(dāng)著不可缺少的角色.歸納這類電源的指標(biāo)無非是輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出功率等，但許多產(chǎn)品一提起輸出的穩(wěn)壓性能指標(biāo)，就只能回避.本文提出了一款具有寬輸入電壓范圍(85～265 V)、高帶載能力(即高輸出穩(wěn)壓性能)的小功率開關(guān)電源的設(shè)計方案，并介紹了+5 V/10 W樣品的制作及調(diào)試過程.

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的指標(biāo)

要求所設(shè)計的開關(guān)穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)為:

(1)輸出+5 V±1%，最大輸出電流2 A;

(2)電壓調(diào)整律＜±1%;

(3)負(fù)載調(diào)整率＜±1%;

(4)效率為80%以上;

(5)電源輸入85～265 VAC，工頻.

1.2 系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)想

根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)的要求，可以采用圖1所示框圖的設(shè)計方案.

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，將交流電先可以經(jīng)過橋式不控整流，然后經(jīng)過簡單的大電容濾波，得到300多伏的直流電壓，由于系統(tǒng)要求的輸出功率最大只有10 W，對于小功率的開關(guān)電源，通常采用反激式DC-DC變換器，故設(shè)計中采用的是反激式DC-DC變換器，而變換器控制電路采用專用的控制IC構(gòu)成的PWM控制電路，以下推薦使用的是由美國PI公司開發(fā)的TOPSwitch-HX系列集成開關(guān)電源芯片TOP254YN.

1.3 TOP254YN器件簡介

TOP254YN是由美國PI公司開發(fā)的 TOPS-witch-HX系列集成開關(guān)電源芯片，在一個單片器件上集成了一個耐壓700 V的功率MOSFET、高壓開關(guān)電流源、PWM控制器、振蕩器、熱關(guān)斷電路、故障保護及其他控制電路.該芯片能將控制引腳輸入電流轉(zhuǎn)化為高壓功率MOSFET開關(guān)輸出的占空比.在正常工作情況下，功率MOSFET的占空比隨控制引腳電流IC的增加而線性減少.該芯片除了像三端TOPSwitch一樣，具有高壓啟動、多模式工作(線性頻率降低至66 kHz或132 kHz)、逐周期電流限制、環(huán)路補償電路、自動重啟動、輸出過壓保護、熱關(guān)斷等特性外，還綜合了多項能降低系統(tǒng)成本、提高電源性能和設(shè)計靈活性的附加功能.

2 系統(tǒng)具體設(shè)計

該電源系統(tǒng)主要是采用TOPSwitch-HX系列集成電源芯片TOP254YN構(gòu)成的反激式DC-DC變換式電路，整個電源設(shè)計可分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路及反饋控制電路五部分［3］.電源實際電路圖，見圖2.

圖2 電源實際電路圖

2.1 輸入整流濾波電路

輸入整流濾波電路包括短路保護、防浪涌電流保護、共差模干擾抑制電路、整流、電容濾波幾部分.其中防浪涌電流保護通過輸入端串接一個NTC負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻來實現(xiàn).共差模干擾抑制主要是抑制共模干擾和差模干擾，其中C7是為了抑制差模干擾;T1為共模濾波器，是為了抑制共模干擾.濾波電容C1的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān).一般對于寬范圍輸入的開關(guān)電源，濾波電容的容量可按比例系數(shù)(2 uF/1 W)來選取.

2.2 鉗位保護電路

在開關(guān)電源中起重要作用的開關(guān)在每個開關(guān)周期內(nèi)，在它關(guān)斷時刻將導(dǎo)致變壓器漏感產(chǎn)生尖峰電壓.由DW1和D5構(gòu)成漏極鉗位保護電路可將此尖峰電壓鉗位到安全值以下.DW1選用P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器 TVS，D5選用快恢復(fù)二極管FR107.DW1和D5的選擇由反射電壓VOR決定，VOR推薦值為135 V.DW1的鉗位電壓V可根據(jù)經(jīng)驗公式V=1.5 VOR選取;D5的耐壓值應(yīng)大于整流后的最大電壓值［4］.

2.3 高頻變壓器

在反激式開關(guān)電源中，高頻變壓器起著儲能和傳遞能量重要作用，設(shè)計的主要參數(shù)包括初級電感量LP，變壓器變比N，初、次級繞組匝數(shù)NP、NS和輔助繞組匝數(shù)NF以及各繞組導(dǎo)線線徑等［4］.

高頻變壓器是根據(jù)輸入直流電壓、輸出直流電壓、輸出功率、開關(guān)頻率以及開關(guān)管的耐壓等因素通過AP計算法來設(shè)計，具體設(shè)計方法可以參照［1］中有關(guān)章節(jié)所述.

2.4 輸出整流濾波電路

輸出整流濾波電路由整流二極管和LCπ型濾波電路構(gòu)成.由于輸出端是對高頻脈沖電壓進行整流濾波，故該處選用了低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件肖特基二極管MBR360，其中二極管上并接RC吸收電路是為了吸收二極管反向恢復(fù)尖峰電壓.濾波電路由高性能的LCπ型濾波電路構(gòu)成.

2.5 反饋控制電路部分

該電源主要采用電流脈寬調(diào)制(PWM)閉環(huán)控制.TOPSwitch-HX屬于漏極開路輸出并且利用電流來線性調(diào)節(jié)占空比的AC/DC電源變換控制器，即電流控制型開關(guān)電源控制器.通過反饋電流IC的控制，來連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實現(xiàn)電流脈寬調(diào)制(PWM)，達到穩(wěn)壓目的.當(dāng)輸出電壓UO升高時，經(jīng)過光耦反饋電路使得IC增大，占空比減小，經(jīng)反激變化器使輸出電壓隨之降低，最終使UO維持不變.其中，脈寬調(diào)制(PWM)采用開關(guān)頻率固定而占空比可調(diào)的控制方式.

開關(guān)電源的反饋回路有四種基本形式:基本反饋電路、改進型反饋電路、帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路和帶TL431的光耦反饋電路［2］.該電源的輸出反饋端采用高精度穩(wěn)壓器TL431加光耦PC817構(gòu)成的反饋電路.輸出電壓反饋信號經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)引入TL431的調(diào)整端，轉(zhuǎn)化為電流反饋信號，然后經(jīng)過光耦隔離后輸入TOP254YN的控制端C.

根據(jù)TL431的工作原理，為了能使電源輸出+5 V電壓，則兩個分壓電阻采用一個阻值為5.1 kΩ精度為1%的固定電阻和一個阻值為10 kΩ精度為1%的多圈電位器，用來調(diào)節(jié)輸出電壓的精度.

另外C10的應(yīng)用主要是考慮反饋網(wǎng)絡(luò)補償，R6、C9以及C8起著濾波作用，消除控制端的脈沖干擾，R5是起著外部流限的設(shè)定作用，R1(4 MΩ)的設(shè)置是為了輸入端直流母線電壓的欠壓(108 V)、過壓(451 V)監(jiān)測.TOP254YN的 S腳直接接地，意味著開關(guān)頻率選用132 kHz.

3 +5V/10W電源樣品的制作與調(diào)試

3.1 電路制作

開關(guān)電源的制作指根據(jù)設(shè)計好的電路原理圖和元器件參數(shù)，選取符合要求的元件并檢測;繪制PCB板并制作電路板;制作高頻變壓器;焊接元器件;電路調(diào)試及形成產(chǎn)品的過程.

根據(jù)上面的設(shè)計，整個電源樣品所選的元器件參數(shù)見實際電路圖上所示.

3.1.1 PCB 板的設(shè)計與制作

圖3所示的是電源PCB板圖.整個電源的PCB板是單面板，按照能量以及信號的走向進行總體布局，它的上半部分主要是主回路(功率回路)，由于回路中的電流較大，故相應(yīng)的線路應(yīng)設(shè)計得盡量短，而且需要用粗銅箔，以降低輻射電磁干擾，同時高頻部分(與高頻變壓器相連接的部分)的器件之間的連線應(yīng)盡量短，減小寄生參數(shù)的影響.而下半部分主要是反饋控制回路，線路可以設(shè)計得較細(xì)，該部分應(yīng)盡量遠(yuǎn)離TOP254YN和其它有可能產(chǎn)生噪聲的器件.以變壓器以及光耦為界，將兩邊的地均進行了大面積的覆銅處理.根據(jù)PCB板的設(shè)計圖加工成實際電源的電路板.

圖3 電源PCB板圖

3.1.2 高頻變壓器的制作

高頻變壓器的制作是非常重要的一個環(huán)節(jié)，不僅要制作的合理正確，而且還要注意工藝.本電源設(shè)計的高頻變壓器，其中原邊繞組(1－2)67匝，采用單股32號AWG漆包線，副邊繞組(3－4)3匝，采用3股25號AWG漆包線，輔助繞組(5－6)9匝，采用雙股32號AWG漆包線.磁芯采用EF20.變壓器的繞制是采用三明治方式，繞制方法的結(jié)構(gòu)圖，見圖4.

圖4 高頻變壓器的繞制結(jié)構(gòu)圖

3.2 電源調(diào)試

調(diào)試的內(nèi)容主要有三個方面:(1)電源的電壓調(diào)整率;(2)電源的負(fù)載調(diào)整率;(3)電源的效率.

3.2.1 基本輸出功能調(diào)試

電源制作好之后先進行基本輸出功能的調(diào)試.將輸入交流電源先通過調(diào)壓器，然后在連接隔離變壓器，之后接入開關(guān)電源.將調(diào)壓器調(diào)成220 V輸出.先通過設(shè)置斷點調(diào)試前級輸入整流濾波部分，然后斷開反饋采樣，進行開環(huán)調(diào)試，最后進行閉環(huán)調(diào)試，通過調(diào)整電位器W1，使得輸出為+5 V電壓.

3.2.2 電源的電壓調(diào)整率測試

首先將負(fù)載調(diào)整到5歐姆，即額定輸出+5 V/1 A，然后調(diào)整調(diào)壓器，使得輸入電壓從85 V至265 V逐步變化，間隔可以20 V.將每次輸入電壓對應(yīng)的輸出電壓進行測試，并記錄于表1中.

表1 電源電壓調(diào)整率測試表

根據(jù)所測的數(shù)據(jù)可以計算得出電壓調(diào)整率為:

3.2.3 電源負(fù)載調(diào)整率與效率的測試

將輸入電壓調(diào)整到220 V，即額定輸入電壓，然后調(diào)整負(fù)載滑線變阻器，用萬用表分別測量輸出電壓和輸出電流，同時用交流功率表測量輸入功率，并將所測得的數(shù)據(jù)記錄，見表2.

表2 電源負(fù)載調(diào)整率以及效率測試表

根據(jù)表2所測得的數(shù)據(jù)可以計算得出電源負(fù)載調(diào)整率為:

4 結(jié)語

本文提出的小功率、寬輸入電壓、高帶載能力的開關(guān)電源，采用PI公司的TOPSwitch-HX系列集成開關(guān)電源芯片TOP254YN為核心器件構(gòu)成的反激式變換器，整個電源體積小、重量輕，從樣品的調(diào)試結(jié)果還可知其電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均很小，即可實現(xiàn)寬輸入電壓，并且?guī)ж?fù)載能力很強，穩(wěn)壓性能很高，稍遺憾的是效率不是太高，這主要跟高頻變壓器的設(shè)計制作有關(guān)，可以盡量完善其設(shè)計參數(shù)以及提高其制作工藝來適當(dāng)提高效率.

［1］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［2］沙占友，等.單片開關(guān)電源最新應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［3］何希才.新型開關(guān)電源及其應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，1996.

［4］周艷姣，白志峰，曹秉剛.TOPSwitch-GX系列芯片的單端反激式開關(guān)電源設(shè)計［J］.電源世界，2007(11):63－65.