小功率直流开关电源的设计

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1、小功率直流开关电源的设计1电路结构选择图1.组成框图输入电路输入电路包括线性滤波电路、浪涌电流控制电路和整流电路。起作用是把输 入电网的交流电转化为符合要求的开关电源直流输入电源。变换电路变换电路含开关电路、输出隔离电路等，是电源变换的主通道，完成对带有 功率的电源波形进行斩波调制和输出。这一级的开关功率管是其核心器件。 控制电路控制电路的作用是向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的 目的。开关稳压电源与传统的线性稳压电源相比具有体积小、重量轻、效率高等优 点，已成为稳压电源的主流产品。为使电源结构简单、紧凑，工作可靠、减少成 本，小功率开关稳压电源常采用单端反激型或单端正激型电路

2、。与单端反激型相 比，单端正激型开关电流小、输出纹波小、更容易适应高频化。用电流型PWM 控制芯片UC3843构成的单端正激型开关稳压电源的主电路如图2所示。图2主电路的结构实用的单端正激型开关稳压电源必须加磁通复位电路，以泄放励磁电路的能 量。如图2所示，开关管Q导通时D1导通，副边线圈N2向负载供电，D4截止, 自馈电线圈Nf电流为零;Q关断时D1截止,4导通,Nf经电容C1滤波后向UC3843 供电，同时原边线圈N1上产生的感应电动势使D3导通，并加在RC上。由于变 压器中的磁场能量可通过Nf泄放，而不像一般的RCD磁通复位电路消耗在电阻 上，这可减少发热，提高效率。2. 电源技术规格输

3、入电压：AC110/220V；输入电压变动范围：90V240V；输入频率：50/60HZ；输出电压：12V；输出电流：2.5A；工作频率的选择：UC3843的典型工作频率为20kHz500kHz。开关频率的选 择决定了变换器的许多特性。开关频率越高，变压器、电感器体积越小，电路的动 态响应也越好。但随着频率的提高，诸如开关损耗，门极驱动损耗,输出整流管的 损耗会越来越突出,而且频率越高，对磁性材料的选择和参数设计要求会越苛刻， 另外，高频下线路的寄生参数对线路的影响程度难以预料，整个电路的稳定性，运 行特性以及系统的调试会比较困难。本电路中，选Rt=1.8kQ,Ct=10nF。由 UC3843

4、A定时电阻，电容与振荡器频率的关系曲线图，可得开关频率为f=85kHz, 周期 T=11.8ms；占空比：设计无工频变压器的单端正激型开关电源时，一般占空比D最大不 超过 0.5,这里选择 Dmax=0.5o 则 Tonmax=T,Dmax=5.9Ms03. 电源设计3.1变压器和输出电感的设计根据电源规格、输出功率、开关频率，选择PQ26/25磁芯，磁芯截面积 Se=1.13cm2，磁路有效长度le=6.4cm,磁芯材料为MXO2000,饱和磁通密度Bs=0.4T。取变压器最大工作磁感应强度Bmax=Bs/3=0.133T，则电感系数AL值 为：AL=(0.4nrSe/le)10 6=4.4

5、4(口H/N2)变压器原边线圈匝数为：N1二UlminXTonmax/BmaxXSe国式中Ulmin为最小直流输入电压。考虑到交流输 入电压为110V20%,则交流输入电压最小值约为90V,即UImin=90X = 127V。 代入得Nl=49.9,取50匝。原边线圈电感为：L1二N12AL=ll.lmH。副边线圈匝数为：N2=式中UDF、UL分别为整流二极管D1和输出电感L上的压降，取UDF+UL=0.7V, 代入得N2=10匝。副边线圈电感为：L2=N22AL=444口H。开关管断开时N1两端会产生感应电动势，为了保证开关管正常工作，将感应 电势限制到eL300V。自馈电线圈要向UC384

6、3提供VCC=12V工作电压，按电容 C1上电压UC1=16V考虑，可保证足够供电给UC3843，由Nf=(Ucl/eL)Nl可得 Nf=2.67取3匝。应;变压器副边电流为矩形波，其有效值12=1 o=1.77A，导 线电流密度取4A/mm2，所需导线截面为1.77/4=0.44mm2,选用截面积为 0.1521mm2的导线(0.49)三根并绕。覺瓦同样可选择原边导线，原边电流有 效值11=1 o=0.354A，所需导线截面为0.354/4=0.0885mm2,选用截面积为 0.09621mm2 的导线(041)。取输出电感的电流变化AIL=0.2Io=0.5A,则输出电感为：L=Tonma

7、x式中U2min为副边线圈最小电压,U2min=(Uo+UDF+UL)/Dmax=25.4V，取 UDF=0.5V，Uomax=13V,代入可得L=140uHo根据输出电感上电流IL=Io,所需导 线截面应为：2.5/4=0.625mm2，选择截面积为0.6362mm2的导线(096)。3.2开关管、整流二极管、续流二极管的选择由于开关管断开时原边线圈N1两端的感应电动势限制到eL300V,输入交 流电压经全波整流电容滤波后，直流输入电压的最大值UImax=240X=339V,所 以整流二极管所承受的最高反向电压UD1P=eL (N2/N1) =60V,续流二极管所承 受的最高反向电压UD2P

8、=UImax(N2/N1)=68V。流过整流二极管和续流二极管的最 大电流ID1P=ID2P=Io + 0.5AIL=2.75A。根据以上计算选择肖特基半桥MBR20100CT,平均整流电流20A,反向峰值电压100V。开关管承受的最大电压Udsp=339 + 300=639V。变压器励磁电流的最大值 ITrP=(UImax/Ll)Tonmax=180mA,开关管最大电流 IdsP=(IDlPN2/Nl) + ITrP=0.73A。根据以上计算，选用功率MOSFET2SK792,漏源击穿电压BVDS=900V, 最大漏极电流IDmax=3A。3.3反馈电路的设计电流反馈电路采用电流互感器检测开

9、关管上的电流，原理如图3所示。电流 互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路,R2上电压反映电流 瞬时值，开关管上的电流增大会使UR2增大，当UR2大于1V时，UC3843芯片输出 脉冲关断。调节Rl、R2分压比可改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周 期比较，这属于限流式保护。输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，这属于 截流式保护。两种过流保护互为补充，使电源更为安全可靠。采用电流互感器采 样使控制电路与主电路隔离，同时与电阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个 电源的效率。电压反馈电路如图4所示，输出电压通过集成稳压器TL431和光耦反馈到 UC3843 (1)脚，调节Rl、R

10、2分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精 度。如果输出电压Uo升高，集成稳压器TL431阴极到阳极的电流增大，使光耦 输出三极管电流增大即UC3843 (1)脚对地的分流变大，UC3843输出脉宽相应变 窄，输出电压Uo减小。同样地，如果输出电压Uo减小，可通过反馈调节使之升电压电路丄f 图3电流反馈电路图5变压器过热保护电路图6输出过电压保护电路图7空载保护电路图8输入滤波电路3.4保护电路的设计图5为变压器过热保护电路，R3=R4,NTC为粘贴在变压器上的负温度系数的 热敏电阻，常温下RNTC R2，运放U1构成滞环比较器。正常工作时，NTC阻值 较大，运放U + U,运放输出电压较

11、高，使三极管VI饱和导通，将电源内部的假负载R7自动接 入。当电源接入负载RL时,R8上的压降使UU+,运放输出电压为零,VI截止, 将R7断开。3.5输入滤波电路的设计输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防 止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。电路如图8所示， 是一种复合式EMI滤波器，L1、L2和C1构成第一级滤波，共模电感TR和电容 C2、C3进行第二级滤波。C1主要用来滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜 电容。电阻R给电容提供放电回路，避免因电容上的电荷积累影响滤波器的工 作特性。C2、C3跨接图9空载时输入功率波形图10半载时输入

12、功率波形图11满载时输入功率波形图12漏极电压Uds波形在输出端，能有效抑制共模干扰。为了减小漏电流C2、C3宜选用陶瓷电容方器。4. 实验结果图9图11为输入电压220V的条件下，输出端的负载状况分别为空载、半 载和全载时，输入端的功率波形图。由这3个图可以看出，输入功率是个脉冲序 列，周期为10ms，即每半个工频周期电源输入端通过整流桥为输入平滑滤波电 容充一次电。测量输入功率时串联于输入端的采样电阻为2.0Q，因此功率为图 示值除以2。半载时输出功率为：12.3662/10=15.29W，全载时输出功率为： 12.2552/5=30.04W。电路正常工作时，漏极电压波形如图12所示。4.

13、1输出电压在各种不同的负载状况下，当输入电压从90V变化到250V时，相应输出电压测试结果如表1 所示：输入电压（V）输出电压（V）空载半载（10Q）满载（5Q）9012.45512.36012.24211012.45912. 36812.24722012.46712. 37512.25525012.47112. 38112.262表1各种负载状况下的输出电压4.2 效率实测各种负载状况下的效率如表2所示。负载空载半载（10Q）满载（5Q）输入功率（W）30020033602输出功率（W）015293004效率（）076348340表 2 各种负载状况下的效率4.3 输出纹波电压实测输出纹波电压峰峰值半载时为40mV；满载时为50mV。5.结语介绍了一种实用的 30W 开关稳压电源电路的设计过程，该电源采用单端正激 型电路结构，输出纹波较小，依靠自馈电线圈泄放变压器中的磁场能量，实现磁 通复位，可减少发热，提高效率，而且去磁绕组匝数少，减小了变压器体积。应 用电流型PWM控制器UC3843，提高了电源的动态响应速度，引入了过压、过流、 过热、空载等保护，使电路能可靠工作。总之，该电源体积小、重量轻、纹波较 小，效率较高，输出电压稳定度高，源效应和负载效应较小，保护电路较为完善, 适用于功率小、要求体积小、效率高的场合。