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1、 开关稳压电源开关稳压电源边奇杰（宁波工程学院，浙江，宁波，315016）内容提要：开关电源是相对线性电源说的。他输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频震荡电路的 作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低 压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减 小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。这 样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。但它也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对电路的污染严重。 电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路。所谓开关式电源，
2、就是通过用电子线路组成开关式（方波）震荡电路来达到对电能的转换.这种方式有好 多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，电脑电源可以在80V-240都可 以正常工作，是其它方式电源无法比拟的。二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发 热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量要少得多。因此，在众多的电 子设备中，开关式电源已经是相当普遍。所谓开关电源，是指开关电源中的调整管工作在截止区和饱和区。调整管截止时，相当于机械开关的断开， 调整管饱和时，相当于机械开关闭合。这种起开关作用的三极管就叫开关管，而用开关管来稳定电压的电 源，就称之
3、为开关型稳压电源。开关式电源:是调整元件工作在开关状态的稳压电源.调整元件通常采用晶体管可控硅磁开关等.特点:体积小，稳压范围宽，效率高，但结构复杂，电源噪声大.输出电压为矩形脉冲电压.所以，不能使用在高要 求的线性电源上.开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止.将直流电转化为高频率的交流电提供给变压 器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压！转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路 中的效率要比50HZ高很多.所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热！成本很低.如果不将 50HZ变为高频那开关电源就没有意义 在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在515V，
4、电流在540A的电源。而一般实验用电源最 大电流只有5A、10A。为此专门开发了电压4V16V连续可调，输出电流最大40A的开关电源。它采用 半桥电路，所选用开关器件为功率MOS管，开关工作频率为50kHz,具有重量轻、体积小、成本低等特点。 关键词：交流EMI滤波及整流滤波电路，RCC变换器，脉宽调制器TL4941.1主要技术指标a. 交流输入电压AC220V（10电压波动）频率50Hzb. 直流输出电压1012Vc. 输出电流40A；d. 输出电压调整率W1%；e. 纹波电压UppW50mV；1.2基本工作原理及原理框图开关电源的工作原理是：1. 交流电源输入经整流滤波成直流；2. 通过高
5、频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上；3. 开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；4. 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的.交流电源输入时一般要经过扼流圈一类的东西，过滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉电源对电网的干扰该电源的原理框图如图1所示。囹1 垫作电源的工作枢肘220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约300V的直流电压加到半桥变换器上， 用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS管，通过功率变压器的耦合和隔离作 用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。各主要
6、功能描述2.1交流EMI滤波及整流滤波电路交流EMI滤波及整流滤波电路如图2所示。ff 2 史或EMI渗波吱炳上虬宜逃波路电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备的一个重要途径，在设备电源线入口处 安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径，本电源滤波器由带有IEC插头电 网滤波器和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电 源机箱。PCB电源滤波器主要是抑制功率开关转换时产生的高频噪声。交流输入220V时，整流采用桥式整流电路。如果将JTI跳线短连时，则适用于110V交流 输入电压。由于输入电压高，电容器容量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲
7、击电 流，一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏，也可能 造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥 前加入由电阻R1和继电器K1组成的输入软启动电路。2.2半桥式功率变换器该电源采用半桥式变换电路，如图6所示，其工作频率50kHz，在初级一侧的主要部分是 Q4和Q5功率管及C34和C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止，在高频变压器初级绕组 N1两端产生一幅值为U1/2的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传递到输出端，Q4和Q5 采用IRFP460功率MOS管。2.3功率变压器的设计作频率的设定：工作频率对电源的体积、重量及电
8、路特性影响很大。工作频率高，输出滤波 电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性 价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，本例为fs=50kHz。T=1/fs=1/50kHz=20s选取磁芯材料和磁芯结构:选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。其具有品种多， 引线空间大，接线操作方便，价格便宜等优点。确定工作磁感应强度Bm： R2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度Bs=0.47T，考虑到高温 时Bs会下降，同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定Bm=1/3Bs=0.15T。计算并确定磁芯型号：磁芯的几何截面积S和磁芯的窗口面积Q与输出功率Po存在一
9、定的 函数关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为式中：n效率；j电流密度，一般取300500A/cm2；Kc磁芯的填充系数，对于铁氧体Kc=1；Ku铜的填充系数，Ku与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一般为0.10.5左右。ft 参数的单位 J5&： P-诉. Qrmr* &-T Jl H?. -、取f-乩顷一 1*5T,代人式得、W * 职尺* A. x J640 x U)1P. x 10* 2 邓M 戚 m 15 m EL 3*300 = 4 55fbm 由厂家手册知，EE55 磁芯的 S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,则 SQ=10.9cm4, EE55 磁芯的
10、SQ 值 大于计算值，选定该磁芯。计算原副边绕组匝数：按输入电压最低及输出满载的情况（此时占空比最大）来计算原副边 绕组匝数，已知Umin=176V经整流滤波后直流输入电压Udmin=1.2X 176=211.2V。对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半，即Upmin=Udmin/2=105.6V,设最大占定比 Dmax=0.9，则I .! x f X I）二 x 211 0. U =9,I x / -,l x ltl+ - 105. h st 9. x |O x IIP代人公式.Vp =/邮101次级匝数计算时取输出电压最大值Uomax=16V。次级电路采用全波整流，
11、Us为次级绕组上 的感应电压，Uo为输出电压，Uf为整流二极管压降，取1V。Uz为滤波电感等线路压降， 取0.3V，则1 J骨 w = 一富。.3 = 19. m&便，尘压器撬制.次缓为坝便于2匝, 缄说绑皎正为； = 1。1也选定导线线径：在选用绕组的导线线径时，要考虑导线的集肤效应，一般要求导线线径小于 两倍穿透深度，而穿透深度A由式（2）决定1邮了式中：w为角频率，w =2n fs；M为导线的磁导率，对于铜线相对磁导率|J r=1，则p印0Xp r=4n X107H/m；Y为铜的电导率，Y =58X10 6Q m；穿透深度乙的单位为m。变压器工作频率50kHz，在此频率下铜导线的穿透深度
12、为 =0.2956mm，因此绕组线径必须 是直径小于0.59mm的铜线。另外考虑到铜线电流密度一般取36A/mm2，故这里选用 0.56mm的漆包线8股并联绕制初级共10匝，次级选用厚0.15mm扁铜带绕制2匝。2.4辅助电源的设计辅助电源采用RCC变换器(RingingChokeConverter)，见图3。其输入电压为交流220V整 流滤波电压，输出直流电压为12.5V，输出直流电流为0.5A。电路中Q8和变压器初级绕组 线圈N1与反馈绕组线圈N3构成自激振荡。R72为启动电阻。Q9、R77构成辅助电源初级 过流保护。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76构成电压检测与稳压电路，控
13、制Q8的基极 电流的直流分量，从而保持输出电压恒定，变压器采用EE19、LP3材质构成。初级180匝， 反馈绕组5.5匝，次级11匝，初级电感量是2.6mH，磁芯中间留有间隙0.4mm。2.5驱动电路驱动电路如图4所示。TL494输出50kHz的脉冲信号，通过高频脉冲变压器耦合去驱动功 率MOS管。次级脉冲电压为正时，MOS管导通，在此期间Q7截止，由其构成的泄放电路 不工作。当次级脉冲电压为零时，则Q7导通，快速泄放MOS管栅级电荷，加速MOS管 截止。R70是用于抑制驱动脉冲的尖峰，R68、D15、R67可以加速驱动并防止驱动脉冲产 生振荡。D17和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路
14、2.6PWM控制电路控制电路采用通用脉宽调制器TL494，具有通用性和成本低等优点，见图6。输出电压经 R40、RV2、RV1、R41进行分压采样，经R5阻抗匹配后送到TL494脚1。RV1装在电源前 面板上用于实现输出电压的调节R103和C14将输出电感L1前信号采样，经R5送到TL494 脚1，用于提高电源稳定度，消除L1对环路稳定性影响。2.7过流保护电路为增强电源可靠性，此电源采用初、次级两级过流保护。初级采用电流互感器CT1检测初 级变压器电流，检测出的电流信号经R60转为电压信号后，再经D2D4, C9整流滤波后， 经过电位器RV3分压，反相器N3反相后加在Q1管基极。当初级电流超
15、过正常时，反相器 反转，Q1管导通，将VREF=5V的高电平加在TL494脚4上（脚4为TL494死区控制脚、 高电平关断），TL494关断。输出直流总线上过流保护，采用R45R56电阻做为采样电阻，当输出电流增加时脚15电 平变低，当输出电流大于40A的105%时，TL494的内部运放动作，脚3电平升高，限制输 出脉宽增加，电源处于限流状态。53.结语本文介绍的开关电源已成功地作为实验室电源、通信基站电源使用。其效率385%，纹波优 于30mVP P,产品可靠性高、成本低，具有一定的市场竞争力。【参考文献】 胡汉才著，单片机原理及其接口技术清华大学出版社2004年2月 李朝青著，单片机原理及接口技术北京航空航天大学出版社2005年10月 徐君毅著，单片微型计算机原理与应用上海科技出版社1988年5月邓子礼著，单片微机及外围集成电路技术手册上海实用计算机自动控制工程公司 1990年7月周立功著，单片机实验与实践教程北京航空航天大学出版社2006年5月 余永权著，ATMEL89系列单片机应用技术北京航空航天大学出版社2002年8月 赵秀菊著，单片机与测控技术东南大学出版社1994年6月 参考文献谢自美著，电子线路设计、实验、测试华中理工大学出版社 出版日期：1999
