摘要:本文敘述了TF-1型開關(guān)電源的設(shè)計思想;有關(guān)電路工作特點和設(shè)計過程;并對開關(guān)電源的發(fā)展前途作了必要的闡述。

關(guān)鍵詞:TF-1開關(guān)電源 穩(wěn)壓 濾波 逆變

隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子電訊設(shè)備對滯留穩(wěn)壓電源的要求越來越高，傳統(tǒng)的使用工頻變壓器的線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源由于體積大、效率低、抗干擾能力差，正逐步被淘汰。取而代之的是開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源。開關(guān)型穩(wěn)壓電源是一種高性能的直流穩(wěn)壓電源。由于其功率調(diào)整工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，使得整機的效率高、抗干擾能力強。隨著大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，開關(guān)電源體積越來越小、價格越來越低，因此，用開關(guān)穩(wěn)壓電源是大勢所趨。

1 設(shè)計思想

開關(guān)電源的基本原理是，電網(wǎng)電壓整流、濾波后，轉(zhuǎn)換成直流電輸入高頻變換電路。高頻變換電路則把輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖電壓，該脈沖電壓經(jīng)整流、濾波后變?yōu)樗璧闹绷麟妷骸Ｍㄟ^改變脈沖電壓的寬度，來穩(wěn)定輸出電壓。

在進行了廣泛的市場調(diào)研和查閱了大量資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合一些企業(yè)的實際情況，形成了研制這種高性能開關(guān)電源的總體思路:

1.1 由于開關(guān)電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，具有極強的抗干擾能力。為了防止開關(guān)電源本身對電網(wǎng)產(chǎn)生射頻干擾(RFI)，應(yīng)在開關(guān)電源的輸入電路中加入LC濾波器。整個開關(guān)電源的外殼要采用鋁合金罩，進行電磁屏蔽，以便有效地抑制開關(guān)電源對外產(chǎn)生的輻射干擾。

1.2 高頻變換電路采用它激式工作方式。在它激式工作方式中，高頻脈沖電壓為脈沖方波，整流、濾波以后的紋波電壓很小。

1.3 采用必要的保護措施。為了防止由于負載發(fā)生故障而開關(guān)電源，因此，應(yīng)設(shè)計過載、短路保護，提高整機的工作可靠性。

2 實施方案及具體設(shè)計過程

根據(jù)以上構(gòu)思，我們設(shè)計出了TF-1型開關(guān)穩(wěn)壓電源。其工作原理框圖如圖1所示。

TF-1型開關(guān)電源的工作過程為:電網(wǎng)電壓經(jīng)工頻變壓器隔離和降壓后，由開關(guān)電源的交流輸入端輸入，經(jīng)射頻干擾(RFI)濾波器濾波后輸入整流濾波電路，變?yōu)楹幸欢}動電壓的直流電壓，然后進入高頻逆變電路。高頻逆變電路的核心是由開關(guān)晶體管組成的推挽式高頻開關(guān)電路，該電路將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換成30KHZ的高頻脈沖電壓的高頻隔離變壓器的初級，在變壓器的次級感應(yīng)出的高頻電壓經(jīng)整流、濾波后就產(chǎn)生所需的直流電壓。

控制電路穩(wěn)定輸出電壓的原理為:當開關(guān)電源的負載加大或輸入電網(wǎng)電壓升高而引起輸出電壓輕微上升時，控制電路就能使高頻逆變電路輸出脈沖方波的寬度變窄，從而使開關(guān)電源的輸出電壓下降，起到穩(wěn)定輸出電壓的作用;反之，當負載減小或電網(wǎng)電壓下降引起輸出電壓下降時，控制電路使高頻逆變電路輸出脈沖方波的寬度變寬，同樣能達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

下面根據(jù)設(shè)計的電路圖敘述各個部分的工作特點和設(shè)計過程。

2.1 低頻隔離變壓器 在一般的開關(guān)穩(wěn)壓電源中，輸入回路不使用低頻隔離變壓器。我們在TF-1型開關(guān)電源前面加隔離變壓器，主要是考慮到以下兩點:一是將開關(guān)電源的輸入與電網(wǎng)電壓隔離開來，進一步抑制電源的噪聲干擾;二是隔離變壓器在這里起降壓作用，它將220V電網(wǎng)電壓降至41V，提供給開關(guān)電源交流輸入端。這樣一來，就大大降低了高頻逆變電路中高頻開關(guān)管所承受的反向耐壓，有利于整機可靠工作。

2.2 射頻干擾(RFI)抑制電路 由高頻濾波電感T1和電容C1、C2組成共模抑制電路如圖2所示，該電路既可能濾除電網(wǎng)電壓對開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲干擾，又可抑制開關(guān)電源本身對電網(wǎng)產(chǎn)生的高頻輻射，防止電網(wǎng)污染。

2.3 整流濾波電路 整流濾波電路采用橋式整流方式。由于在前面增加了降壓變壓器，故整流二極管的耐壓值要求不高。我們選用了400V/5A的整流橋KBL04，能滿足使用要求。

2.4 輔助電路 輔助電路的作用是，給控制電路和高頻逆變電路提供U0=+12V的穩(wěn)定工作電壓。他是由三端電壓可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317及其外圍電路組成，其主要電路圖3所示。

2.5 控制電路 控制電路是整個開關(guān)電源工作的核心。其作用是產(chǎn)生可變的高頻脈沖方波，提供給高頻逆變電路。

早期的控制電路采用分立元件設(shè)計。為了提高整機的可靠性，我們在TF-1型開關(guān)電源中采用了新型的脈寬調(diào)制集成塊CW494。

2.6 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路是直接為功率開關(guān)管提供激勵信號的電路。其作用是將脈寬調(diào)制器輸出的兩路交替脈沖加以放大，以滿足功率開關(guān)管激勵電壓與激勵電流的要求。

在設(shè)計驅(qū)動電路時，主要考慮一下兩點:一是功率開關(guān)管要進入飽和導(dǎo)通，其基極應(yīng)有一定的正向驅(qū)動電流;二是功率開關(guān)管要快速截止，其基極要有足夠的反向驅(qū)動電流，以迅速消除集體管基區(qū)儲存的電荷，加快關(guān)斷速度。

根據(jù)以上思路，我們設(shè)計了帶激勵變壓器的驅(qū)動電路。

2.7 高頻變換電路 高頻變換電路時整個開關(guān)電源工作的中心。其作用是將整流、濾波后的脈動直流電壓，逆變?yōu)楦哳l脈動方波，經(jīng)高頻變壓器變換輸出，最后由輸出電路整流、濾波后得到所需的直流電壓。

在設(shè)計中，我們采取了推挽式高頻變換電路。其優(yōu)點是，在一個工作周期里，高頻開關(guān)變壓器鐵芯的B-H磁化曲線工作在一、三象限，沒有直流磁化現(xiàn)象，鐵芯利用高，具體的電路如圖5。

2.8 輸出電路 輸出電路的作用是對高頻開關(guān)變壓器次級的高頻方波思安呀進行整流、濾波，獲得所需的直流電壓。

根據(jù)技術(shù)指標要求，需輸出三路直流電壓，由于+5V一路輸出公路最大，因而取樣電路設(shè)置在這一路，對輸出電壓進行檢測和取樣，通過脈寬調(diào)制達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

另外兩路輸出電路，要求輸出12V的直流電壓，由于這兩路無取樣檢測電路，因此，高頻方波電壓經(jīng)整流、濾波后，要由穩(wěn)壓塊LM7812穩(wěn)壓后獲得所需的直流電壓。+5V輸出電路圖如圖6。

2.9 取樣電路 取樣電路的作用是，對輸出直流電壓的變化量進行檢測，并將檢測到的誤差信號反饋到脈寬調(diào)制電路中，控制高頻脈沖方波的占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

2.10 過流、短路保護電路 當出現(xiàn)過流或負載短路故障時，必須對開關(guān)電源進行保護，使開關(guān)電源不被永久地損壞。因此，我們在電源的輸入側(cè)設(shè)計了過流、短路保護電路。

3 發(fā)展趨勢

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是近幾年來高反壓MOS大功率管的大量問世，開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源的頻率可以做得更高，其結(jié)果是整個開關(guān)電源的體積更小、重量更輕、效率更高。因此，在開關(guān)電源的研制中，采用更高頻率來設(shè)計開關(guān)電源，并解決由此帶來的一系列問題，是未來開關(guān)電源的發(fā)展方向。

參考文獻:

[1](日)長谷川彰著，何希才譯.開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計與應(yīng)用/圖解實用電子技術(shù)叢書.科學(xué)出版社2006.

[2]孫余凱，吳鳴山，項綺明.穩(wěn)壓電源設(shè)計與技能實訓(xùn)教程(職業(yè)技術(shù)技能型人才培養(yǎng)教材)，電子工業(yè)出版社，2009.