特種集成開關電源的電路設計

特種集成開關電源的電路設計

摘要：詳細闡述了四種新型特種集成開關電源的性能特點、電路設計方案及其應用領域。

關鍵詞：特種集成開關電源復合型恒壓／恒流型截流型恒功率型TheCircuitDesignofIntegrated

1引言

特種集成開關電源與傳統的開關電源相比，具有電路新穎、功能奇特、性能先進、應用領域較為廣泛等特點。特種集成開關電源主要包括以下四種類型：復合型開關電源、恒壓／恒流型開關電源、截流輸出型開關電源恒功率輸出型開關電源。它們均采用TOPSwitch或TOPSwitch－Ⅱ系列單片開關電源集成電路，再配上相應的外圍電路（含控制環路）設計而成，具有不同的輸出特性和應用領域，能滿足不同用戶的需要。

2復合型開關電源的電路設計

2.1復合型開關電源的設計方案

眾所周知，線性集成穩壓器的輸出穩定度很高，紋波電壓很小，但電源效率低，需使用笨重的工頻變壓器。而單片開關電源的效率很高，并且能省去工頻變壓器，但電壓穩定度較低，紋波電壓較高。若將二者巧妙地結合起來，把單片開關電源當作前級穩壓器，再由線性集成穩壓器進行二次穩壓，即可揚長避短，實現優勢互補，構成理想的高效、精密穩壓電源。所配線性集成穩壓器有以下三種方案：

（1）配7805系列三端固定式集成穩壓器，其電路簡單，成本低廉；

（2）配LM317型三端可調式集成穩壓器，使輸出

電壓連續可調，并能進一步提高穩壓性能；

（3）配LM2937（固定輸出）、LM2991（可調輸出）等型號的低壓差穩壓器，可使復合型開關電源的效率得到進一步提高。

采用兩級穩壓的復合型開關電源，其電壓調整率和負載調整率均可達到±0.1％。

根據需要，還可為復合型開關電源增加欠壓保護、過壓保護、交流掉電保護、軟起動等自動保護功能。

2.2復合型開關電源的設計示例

具有掉電保護功能的復合型開關電源的電路如圖1所示。該電路利用一片TOP209型單片開關電源作前級穩壓，再用LM2937型三端低壓差穩壓器作后級穩壓。LM2937在額定負載下的輸入－輸出壓差（UI－UO）≤0.6V，僅為LM7805的1/6～1/3，能顯著降低穩壓器的功耗，提高電源效率。LM2937的輸出電壓為5V，最大輸出電流是0.5A。交流掉電保護電路由VT1、VT2、C7、R4～R6組成。其中，R5、R6和VT2用來檢測交流電壓，所設定的閾值電壓須低于85V，現取70V。一旦UI<70V，VT2立即截止，直流電壓就通過R4給C7充電。當C7兩端電壓高于達林頓管VT1的發射結總壓降時，VT1就導通，使TOP209的控制端電壓變成低電平。與此同時C5放電，將電源關斷。正常情況下，UI>70V，因VT2導通，C7兩端電壓始終為0V，故該電路不起作用。不難看出，掉電后的供電時間與時間常數τ=R4·C7成正比。改變τ值即可設定供電時間。

圖1一種具有掉電保護功能的復合型開關電源

圖215V、2A精密恒壓/恒流型開關電源的電路

這種開關電源適合作為節能型計算機（亦稱“綠

色”PC機）的輔助電源。當交流掉電后，由輔助電源繼續供電一段時間，使微機能將數據存儲下來；當掉電時間超過設定時間時，就自動切斷輔助電源。

3精密恒壓／恒流型開關電源的電路設計

3.1精密恒壓／恒流型開關電源的設計方案

精密恒壓／恒流型單片開關電源是采用單片開關電源，配上低功耗雙運放和可調式精密并聯穩壓器，組成電壓控制環和電流控制環的。與晶體管構成的控制環相比（典型電路見參考文獻2），它具有恒壓與恒流準確度高、外圍電路簡單、電流檢測電阻的阻值很小、功耗低、能提高電源效率等優點，其電源效率可達80％。此類電源適宜作為筆記本電腦、攝錄像機的電池快速充電器。

3.2精密恒壓／恒流型開關電源的設計示例

15V、2A精密恒壓／恒流輸出式開關電源的電路如圖2所示。電路中共使用了4片集成電路：TOP214Y型單片開關電源（IC1），PC816A型線性光耦合器（IC2），可調式精密并聯穩壓器TL431C（IC3），低功耗雙運放LM358（IC4，內部包括IC4a和IC4b兩個運放）。該電路具有以下特點：

（1）利用IC4b、IC3、VD5和取樣電阻R3、R4構成電壓控制環；由IC4a、VD6和過流檢測電阻R6組成電流控制環；

（2）電壓控制環與電流控制環按照“邏輯或門”的原理工作，即在任一時刻，輸出為高電平的環路起控制作用；

（3）增加了次級偏壓繞組NSB給控制環路供電，次級偏壓USB能自動跟隨直流輸入電壓UI的變化，

圖3精密恒壓/恒流源的輸出特性

圖412V截流型開關電源的電路

圖5截流型開關電源的輸出特性

圖615W恒功率型開關電源的電路

圖7恒功率型開關電源的輸出特性

使電源輸出電壓UO大幅度降低時仍具有恒流特性，僅當UO≤0.8V時才進入自動重起動狀態；

（4）使用一片TOP214Y型單片開關電源，使額定輸出功率達到30W；

（5）采用由運放構成的電流控制環時，能將電流檢測電阻R6的阻值減小到0.1Ω，功耗降至0.4W，使電源效率得到提高；

（6）將反饋電壓UFB的最大值提升到46V，這里選用PC816A型光耦合器，其U(BR)CEO=70V>40V。

正常情況下電壓控制環起作用，開關電源工作在恒壓區。當IO接近于2A時進入恒流區，此時電流控制環起作用。IC4a的同相輸入端接電流檢測信號UR6，反相輸入端接分壓器電壓UFY。分壓器是由R5、R8和TL431C構成的。IC4a在將UR6與UFY進行比較之后，輸出誤差信號Ur2，再通過VD5和R1變成電流信號，流入光耦中的LED，進而控制TOP214Y的占空比，使電源的輸出電流IOH在恒流區內維持恒定。顯然，VD5和VD6就相當于一個“或門”。若電流控制環輸出為高電平，電壓控制環輸出低電平，則電源工作在恒流輸出狀態；反之，就工作在恒壓輸出狀態。

精密恒壓/恒流源的輸出特性如圖3所示。圖中的實線和虛線分別對應于U=Umin=85VAC、U=Umax=265VAC兩種情況。

4截流型開關電源的電路設計

4.1截流型開關電源的設計方案

截流型開關電源的特點是一旦發生過載，輸出電流IO能隨著輸出電壓UO的降低而迅速減小，即UO↓→IO↓，可對電機等負載起到保護作用。利用晶體管構成的正反饋式截流控制環，可實現上述功能，過載時將IO衰減到安全區域內。

4.2截流型開關電源的設計示例

12V截流型開關電源的電路如圖4所示。該電路采用一片TOP202Y型單片開關電源。截流控制環由晶體管VT1、VT2、R1～R4、IC2構成，其電路簡單，成本低廉。要求VT1和VT2的參數應具有良好的一致性，能構成鏡像電流源。截流型開關電源的輸出特性如圖5所示。由圖可見，UO?IO特性曲線可劃分成3個工作區：恒壓區、截流區、自動重起動區。令輸出極限電流為ILM，下面對其輸出特性進行分析。

（1）當IO2）當IO≈ILM時，截流控制環開始工作，并在正反饋過程中使IO隨著UO的降低而迅速減小。此時UR1≈0.3V，US≈0.57V，由于VT2的發射結壓降UBE2=UR1＋US>0.7V，使VT2立即導通，而VDZ2因UO的降低而退出穩壓區變成截止狀態。于是，光耦LED上的電流就通過VT2分流。由于VT2的導通電阻很小，因此IF迅速增大，令TOP202Y的IC↑，占空比D↓，IO↓，開關電源進入截流區。進一步分析可知，R3上的電流是與UO成正比的，隨著UO的繼續降低，IR3↓→US↑→UBE2↑→IF↑→IC↑→D↓→IO↓，這就形成了電流正反饋，其效果是讓IO進一步減小，對負載起到截流保護作用。

（3）當UO≤1.5V時，由于VT2達到飽和狀態，截流控制作用失效，改由LED的正向壓降 UF=1.2V進行限流。在負載短路時，短路電流ISS≈2.2A。

5恒功率型開關電源的電路設計

5.1恒功率型開關電源的設計思想

恒功率型單片開關電源的特點是，當輸出電壓UO降低時，利用恒功率控制電路迫使輸出電流IO增大，使二者乘積IO·UO不變，輸出功率PO保持恒定。這種開關電源可作為高效、快速、安全的電池充電器，對筆記本電腦中的電池進行充電。恒功率輸出特性近似為一條雙曲線。

5.2恒功率型開關電源的設計示例

由TOP202Y構成的15V、15W恒功率型開關電源，電路如圖6所示。當輸出電壓從15V（即100％·UO）降至7.5V（即50％·UO）時，恒功率準確度可達±10％。恒功率控制電路由VT1、VT2、VDZ3～VDZ5、R1～R7構成。VT1工作在飽和區。VT1和VT2應選參數一致性很好的3DK4B型開關管。R1為電流檢測電阻，VT2用來監視R1上的壓降。該電路具有溫度補償特性，能對VT1、VT2的偏壓以及輸出電壓進行溫度補償。恒功率控制電路由5部分組成：

（1）恒流源電路（VDZ4、R7、R3），給偏壓電路提供恒定的集電極電流IC1；

（2）帶溫度補償的偏壓電路（VT1、R2），其作用是給VT2提供偏置電壓UB1，它的發射結壓降UBE1與UBE2相等且具有相同的溫度系數；

（3）電流檢測電阻（R1）；

（4）電壓補償電路（VDZ2、R6、R4），可對VT2的發射結電壓UBE2進行補償；

（5）電壓調節電路（IC2、VDZ2、R5），利用帶穩壓管的光耦反饋電路使UO在恒壓區內保持恒定。

當IO較小時VT2截止，而VDZ2處于穩壓區，開關電源工作在恒壓輸出方式下，UO=15V，此時恒功率控制電路不工作。設VT2的基極偏壓為UB2，僅當UB2＋UR1=UBE2時，VT2才開始導通，而VDZ2立即截止，電路就從恒壓控制迅速轉入恒功率控制，并按下述正反饋過程UO↓→IO↑→UR1↑→IF↓→IC↓→D↑→IO↑，使PO保持不變。

恒功率型開關電源的輸出特性如圖7所示。從圖中可見，當 UO=15V時IO=1.02A，PO1=15V×1.02A=15.3W；UO=7.5V時IO=2.07A，PO2=15.5W。顯然，PO1≈PO2，這就是恒功率輸出的特點。

參考文獻

1PowerIntegrations公司產品手冊，2000

2沙占友等.恒壓／恒流輸出式單片開關電源的設計原理.電源技術應用，2000(12)

3沙占友.低壓差集成穩壓器的應用.集成電路應用，2000(2)