譚立嘯

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶163319）

開關(guān)電源體積小、效率高，被譽為高效節(jié)能電源，已成為穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品。當(dāng)今開關(guān)電源向著集成化、智能化的方向發(fā)展。高度集成、功能強大的開關(guān)型穩(wěn)壓電源代表著開關(guān)電源發(fā)展的主流方向[1]。實現(xiàn)了一種小功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其主要性能指標(biāo)為：輸出電壓可調(diào)范圍為30 V～36 V；最大輸出電流2 A，且當(dāng)輸出電流從0變到2 A時，負載調(diào)整率小于等于5%；DC-DC變換器的效率大于等于75%；具有過流保護功能。

1 理論基礎(chǔ)

采用調(diào)寬式即脈寬調(diào)制型（PWM）技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制來等效地獲得所需波形調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理如圖1所示[2，3]。對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓U0取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓U0可由下面公式計算：

式中Um為矩形脈沖最大電壓值；T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。

當(dāng)Um與T不變時，直流平均電壓U0將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可達到穩(wěn)定電壓的目的。

圖1 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源控制原理圖Fig.1 Switching power supply control principle diagram based on pulse widthmodulation

2 開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計

開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖2所示。

圖2 開關(guān)電源電路框圖Fig.2 Switching power supply circuit diagram

交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成分的直流電壓，該電壓通過功率轉(zhuǎn)換電路進入高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸７答伩刂齐娐窞槊}沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

2.1 輸入整流濾波電路的設(shè)計

在輸入端先通過EMI濾波器來防止電磁干擾，整流濾波電路是將輸入18 V、50 Hz的交流電壓變換成濾波后有脈動的直流電壓。通常采用容性負載整流電路[4]。如圖3中所示。

圖3 輸入整流濾波電路Fig.3 Input rectifier filter circuits

2.2 主變換電路的設(shè)計

主變換電路含開關(guān)功率管驅(qū)動電路、開關(guān)電路、輸出隔離變壓器電路，是開關(guān)電源變換的主通道，完成對帶有功率的電源波形進行斬波調(diào)制和輸出。這一級的開關(guān)功率管和隔離變壓器是其核心器件。由于控制部分和主電路部分電壓相差不大，選擇了非隔離式的直接驅(qū)動。它具有電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要提供隔離電源，成本較低，對脈沖信號無傳輸延遲等優(yōu)點，能夠滿足驅(qū)動快速性，較強驅(qū)動能力的要求。由于本系統(tǒng)中的輔助電源輸出大約15 V，因此SG3525的PWM輸出腳的電壓約為15 V，電阻分壓后得到大約10 V的電壓來驅(qū)動MOS管，D1、D2是15 V穩(wěn)壓管，用來防止MOS管柵一源過電壓而損壞。D5、D6選用了UF4006型超快恢復(fù)二極管，其反向耐壓為400 V，在MOSFET截止瞬間，初級極性則變?yōu)樯县撓抡藭r尖峰電壓就被D5、D6吸收掉。C4、C5是驅(qū)動電壓對其充電，從而使開關(guān)波形有足夠的上升和下降陡度，提高開關(guān)速度。具體電路如圖4所示。

圖4 主變換電路Fig.4 Main transform circuit

2.3 高頻變壓器的繞制

在推挽式結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源中，高頻開關(guān)變壓器既是儲能元件又是傳遞能量的主體，設(shè)計難度較大，是一個十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[5]。高頻變壓器的漏感應(yīng)盡量小，一般選用錳鋅鐵氧體，為便于繞制，磁芯形狀可選用PQ或EE型，變壓器的初、次級繞組應(yīng)相間繞制。本設(shè)計就選用PC40材質(zhì)制成的PQ型鐵氧體磁芯，它屬于高頻低功耗電源鐵氧體材料。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試最終設(shè)計的高頻變壓器初級線圈用六股0.51 mm繞了6匝，次級線圈用0.51 mm的銅線3股并繞了14匝，初級和次級線圈都有中間抽頭，使得能夠流過滿足設(shè)計要求的足夠大的電流。

2.4 輸出整流濾波電路設(shè)計

選用肖特基二極管作為整流二極管，選取MBR2020型的肖特基二極管，作為整流二極管。輸出濾波電路的作用是濾除整流電路輸出的脈動直流中的交流分量，得到平滑的直流輸出。相較與輸入濾波電路，高頻變壓器輸出電流要進行高頻濾波，選用濾波電容來構(gòu)成高頻濾波電路。在經(jīng)過肖特基二極管整流后串加LC濾波電路進一步降低紋波?？紤]到電感工作時電流密度在允許的范圍內(nèi)，用0.51 mm的漆包線3股并繞，此種繞線方法可以減少大約20%的圈數(shù)。

本設(shè)計中的濾波電容采用電解電容器，濾波電容器的阻抗值會直接影響到波紋的輸出，而且也會影響到其本身的壽命，必須選用低阻抗的高頻電解電容，經(jīng)過計算選取2個680 uF/50 V的電解電容。

2.5 SG3525外圍控制電路的設(shè)計

整個控制電路如圖5所示，SG3525的基準(zhǔn)電平P16腳提供5.1 V高精度電壓基準(zhǔn)，5.1 V輸出電壓經(jīng)取樣電阻器R1、可調(diào)電阻RP1分壓后獲得取樣電壓，送至誤差放大器同相輸入端；當(dāng)一腳誤差放大器反向輸入端的電壓與2腳的有偏差時，SG3525將對輸出的PWM波形進行調(diào)整。當(dāng)V0上升時，SG3525內(nèi)部誤差電壓Vr將上升，輸出的脈沖寬度將變窄，經(jīng)輸出電路迫使V0下降，從而達到穩(wěn)壓目的。6腳連接可調(diào)電阻RP3，改變RP3的大小，這樣就可調(diào)控SG3525輸出的PWM脈沖頻率，同時通過調(diào)節(jié)SG3525的2腳電壓來改變輸出脈寬，即可調(diào)節(jié)輸出電壓。連接7腳的可變電阻RP2為死區(qū)時間設(shè)定，當(dāng)RP2為0時SG3525輸出的PWM波形占空比可接近50%，而增大其阻值可減小其最大占空比。

9腳接較小容量的解耦電容0.1 uF，濾除產(chǎn)生的諧波，以免影響系統(tǒng)的正常工作。15腳是芯片電源，接到輔助電源輸出端，13腳接小電阻R6后也接到輔助電源輸出端。

圖5 輸出電壓反饋電路設(shè)計Fig.5 Design of output voltage feedback circuit

采用電壓環(huán)進行閉環(huán)調(diào)節(jié)實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出，反饋回路的形式由輸出電壓的精度決定，本電源采用光耦M0C8102和TL431，它可以將輸出電壓變化控制在±4%以內(nèi)，反饋電壓由36 V電源的直流輸出端取樣。輸出電壓U0通過電阻分壓器R15、R16和R17獲得取樣電壓后，與TL431中的2.5 V基準(zhǔn)電壓進行比較后輸出誤差電壓，然后通過光耦改變SG3525的誤差反相輸入端，通過經(jīng)由16腳5 V基準(zhǔn)源分壓后輸入誤差放大器同相端2腳的電壓進行比較，進而使占空比發(fā)生變化，通過此變化調(diào)節(jié)輸出電壓U0，使其穩(wěn)壓。

2.6 過流保護部分設(shè)計

在電源初級輸入端采用自恢復(fù)保險絲來實現(xiàn)過流保護，此電源最大輸出電流限制為2.5 A，考慮到電源工作效率為75%，電源總輸入最大功率為120W，則電源輸入最大電流6.67 A，因此在輸入端加入耐壓30 V，保護電流7 A的自恢復(fù)保險絲來實現(xiàn)整個電源的保護。次級使用電流互感器實現(xiàn)過流保護，當(dāng)電流互感器從負載端感應(yīng)出交流電流，將互感器的交流電流轉(zhuǎn)化為交流電壓，通過由直流電壓橋式整流器把其轉(zhuǎn)化為直流電壓，電壓超過5.1 V時穩(wěn)壓管擊穿，在滑動變阻器將上產(chǎn)生電壓。由滑動端輸出的信號接到SG3525 A的10腳上，當(dāng)10腳電壓超過1.4 V時，將使PWM鎖存器關(guān)斷，直至下一個時鐘周期才能夠恢復(fù)。

3 結(jié)束語

闡述了開關(guān)電源的控制原理，主要電路的設(shè)計過程及推挽式高頻變壓器的繞法，達到了小功率的開關(guān)電源的各項性能指標(biāo)。開關(guān)電源在實際運行中，諧波量是比較大的，需要進一步研究如何有效地抑制諧波，或者加入去噪環(huán)節(jié)，以提高準(zhǔn)確性。

［1］趙肖宇.基于單片機的后備電源電壓和電流監(jiān)測儀設(shè)計［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2010，22（3）：34-36.

［2］馬尼克塔拉.開關(guān)電源設(shè)計與優(yōu)化［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［3］馮桂林.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理與實用技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［4］何希才.新型開關(guān)電源及其應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［5］倪海東，蔣玉萍.開關(guān)電源專用電路設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2008.