開(kāi)關(guān)電源本身種類繁多，設(shè)計(jì)方法也復(fù)雜多樣，因此研究一種簡(jiǎn)潔的方法去快速設(shè)計(jì)出所需要的通用型高效率，低廉價(jià)格的開(kāi)關(guān)電源是很有必要的。
開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源是基于方波電壓的平均值與其占空比成正比以及電感、電容電路的積分特性而形成的。其基本工作原理是，先對(duì)輸入交流電壓整流，從而形成脈動(dòng)直流電壓，經(jīng)過(guò)DC-DC變換電路變壓，再通過(guò)斬波電路形成了不同脈沖寬度的高頻交流電，然后對(duì)其整流濾波輸出需要電壓電流波形。如果輸出電壓波形偏離所需值，便有電流或電壓采樣電路進(jìn)行取樣反饋，經(jīng)過(guò)與比較電路的電壓值進(jìn)行參數(shù)比較，把差值信號(hào)放大，從而控制開(kāi)關(guān)電路的脈沖頻率f和占空比D，以此來(lái)控制輸出端的導(dǎo)通狀態(tài)。因此，輸出端便可以得到所需的電壓電流值。
根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際需要，通過(guò)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行分析，便可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品。
圖1開(kāi)關(guān)電源原理框圖
在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，首先就要面臨如何選擇合適的開(kāi)關(guān)電源控制芯片。在選擇芯片的時(shí)候，要既能滿足要求，又不因?yàn)檫x型造成資源的浪費(fèi)。下面就介紹利用TopswitchⅡ系列開(kāi)關(guān)電源的功率損耗(PD)與電源效率(η)，輸出功率(Po)關(guān)系曲線，快速選擇芯片的型號(hào)，從而完成寬范圍輸入的通用開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。
圖2 TOPSwitch芯片內(nèi)部原理圖
開(kāi)關(guān)管保護(hù)電路
在開(kāi)關(guān)芯片的漏極D側(cè)可以利用VDZ和VD兩個(gè)二極管對(duì)高頻變壓器的漏感產(chǎn)生的尖峰電壓進(jìn)行箝位，可保護(hù)μ的D-S極間不被擊穿。例如VDZ可以選用瞬態(tài)電壓抑制器P6K200，其反向擊穿電壓為200 V.VD采用反向耐壓為600 V的UF4005($0.0444)型超快恢復(fù)二極管，亦稱阻塞二極管。
圖3給出了由TOPSwitch構(gòu)成的反激式電源的原理圖。其工作過(guò)程如下：輸入交流電經(jīng)整流橋BR1整流后再經(jīng)電容C1濾波，變?yōu)槊}動(dòng)的直流電。反激式變壓器與TOPSwitch將存儲(chǔ)于電容C1的能量傳遞給負(fù)載。當(dāng)TOPswitch開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電容C1兩端的電壓加到反激變壓器的原邊，流過(guò)原邊繞組的電流線性增加(如若在MOSFET開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的瞬間變壓器副邊電流不為零，則由于副邊感應(yīng)電勢(shì)反向，二極管D2截止，副邊電流變?yōu)榱悖欢判緝?nèi)的能量不能突變，故原邊電流躍變?yōu)楦边呺娏鞯?/ K，K為變壓器變比)，變壓器儲(chǔ)存能量;當(dāng)MOSFET開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感原邊電流由于沒(méi)有回路(此時(shí)，穩(wěn)壓管VR1的擊穿電壓因高于原變壓器的感應(yīng)電勢(shì)而截止)而突變?yōu)榱悖儔浩魍ㄟ^(guò)副邊續(xù)流，副邊電流為TOPswitch開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)原邊電流的K倍，副邊繞組通過(guò)二極管D2對(duì)電容C2充電，此后，流過(guò)變壓器副邊的電流線性下降。二極管D1與穩(wěn)壓管VR1并接于變壓器的原邊以吸收由于變壓器原邊的漏感而產(chǎn)生的高壓毛刺。電阻R1、穩(wěn)壓管V R2、光耦U2與電容C5構(gòu)成了電壓反饋電路以保證輸出電壓穩(wěn)定。電阻R2與VR2構(gòu)成一假負(fù)載，以保證當(dāng)電源空載或輕載時(shí)輸出電壓穩(wěn)定。電感L1與電容C3構(gòu)成LC濾波器以防止輸出電壓脈動(dòng)過(guò)大。二極管D3與電容C4構(gòu)成一整流電路以提供光耦U2光電三極管的偏置電壓。電感L2、電容C6和C7用于降低系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)。
圖3反激式電源的應(yīng)用原理圖
圖4分別給出了輸入電壓220 V(交流)，輸出功率為40 W;輸入電壓85 V(交流)，輸出功率為24 W和輸入電壓85 V(交流)，輸出功率為40 W時(shí)的輸出電壓波形。
圖4不同電壓輸入條件下的電壓仿真輸出波形
通過(guò)仿真試驗(yàn)，對(duì)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了認(rèn)證。總體來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源，輸出波形較為穩(wěn)定，而且電磁兼容性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合小功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)制造。直流穩(wěn)壓電源是現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中的重要組成部分，好的直流電源系統(tǒng)是高質(zhì)量現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要保證。
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