特種集成開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

摘要：詳細(xì)闡述了四種新型特種集成開(kāi)關(guān)電源的性能特點(diǎn)、電路設(shè)計(jì)方案及其應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：特種集成開(kāi)關(guān)電源復(fù)合型恒壓／恒流型截流型恒功率型TheCircuitDesignofIntegrated

1引言

特種集成開(kāi)關(guān)電源與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源相比，具有電路新穎、功能奇特、性能先進(jìn)、應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛等特點(diǎn)。特種集成開(kāi)關(guān)電源主要包括以下四種類型：復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源、恒壓／恒流型開(kāi)關(guān)電源、截流輸出型開(kāi)關(guān)電源恒功率輸出型開(kāi)關(guān)電源。它們均采用TOPSwitch或TOPSwitch－Ⅱ系列單片開(kāi)關(guān)電源集成電路，再配上相應(yīng)的外圍電路（含控制環(huán)路）設(shè)計(jì)而成，具有不同的輸出特性和應(yīng)用領(lǐng)域，能滿足不同用戶的需要。

2復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

2.1復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

眾所周知，線性集成穩(wěn)壓器的輸出穩(wěn)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(kāi)關(guān)電源的效率很高，并且能省去工頻變壓器，但電壓穩(wěn)定度較低，紋波電壓較高。若將二者巧妙地結(jié)合起來(lái)，把單片開(kāi)關(guān)電源當(dāng)作前級(jí)穩(wěn)壓器，再由線性集成穩(wěn)壓器進(jìn)行二次穩(wěn)壓，即可揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，構(gòu)成理想的高效、精密穩(wěn)壓電源。所配線性集成穩(wěn)壓器有以下三種方案：

（1）配7805系列三端固定式集成穩(wěn)壓器，其電路簡(jiǎn)單，成本低廉；

（2）配LM317型三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，使輸出

電壓連續(xù)可調(diào)，并能進(jìn)一步提高穩(wěn)壓性能；

（3）配LM2937（固定輸出）、LM2991（可調(diào)輸出）等型號(hào)的低壓差穩(wěn)壓器，可使復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源的效率得到進(jìn)一步提高。

采用兩級(jí)穩(wěn)壓的復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源，其電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均可達(dá)到±0.1％。

根據(jù)需要，還可為復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源增加欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、交流掉電保護(hù)、軟起動(dòng)等自動(dòng)保護(hù)功能。

2.2復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)示例

具有掉電保護(hù)功能的復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源的電路如圖1所示。該電路利用一片TOP209型單片開(kāi)關(guān)電源作前級(jí)穩(wěn)壓，再用LM2937型三端低壓差穩(wěn)壓器作后級(jí)穩(wěn)壓。LM2937在額定負(fù)載下的輸入－輸出壓差（UI－UO）≤0.6V，僅為L(zhǎng)M7805的1/6～1/3，能顯著降低穩(wěn)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(hù)電路由VT1、VT2、C7、R4～R6組成。其中，R5、R6和VT2用來(lái)檢測(cè)交流電壓，所設(shè)定的閾值電壓須低于85V，現(xiàn)取70V。一旦UI<70V，VT2立即截止，直流電壓就通過(guò)R4給C7充電。當(dāng)C7兩端電壓高于達(dá)林頓管VT1的發(fā)射結(jié)總壓降時(shí)，VT1就導(dǎo)通，使TOP209的控制端電壓變成低電平。與此同時(shí)C5放電，將電源關(guān)斷。正常情況下，UI>70V，因VT2導(dǎo)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(shí)間與時(shí)間常數(shù)τ=R4·C7成正比。改變?chǔ)又导纯稍O(shè)定供電時(shí)間。

圖1一種具有掉電保護(hù)功能的復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源

圖215V、2A精密恒壓/恒流型開(kāi)關(guān)電源的電路

這種開(kāi)關(guān)電源適合作為節(jié)能型計(jì)算機(jī)（亦稱“綠

色”PC機(jī)）的輔助電源。當(dāng)交流掉電后，由輔助電源繼續(xù)供電一段時(shí)間，使微機(jī)能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)；當(dāng)?shù)綦姇r(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間時(shí)，就自動(dòng)切斷輔助電源。

3精密恒壓／恒流型開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

3.1精密恒壓／恒流型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

精密恒壓／恒流型單片開(kāi)關(guān)電源是采用單片開(kāi)關(guān)電源，配上低功耗雙運(yùn)放和可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，組成電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)的。與晶體管構(gòu)成的控制環(huán)相比（典型電路見(jiàn)參考文獻(xiàn)2），它具有恒壓與恒流準(zhǔn)確度高、外圍電路簡(jiǎn)單、電流檢測(cè)電阻的阻值很小、功耗低、能提高電源效率等優(yōu)點(diǎn)，其電源效率可達(dá)80％。此類電源適宜作為筆記本電腦、攝錄像機(jī)的電池快速充電器。

3.2精密恒壓／恒流型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)示例

15V、2A精密恒壓／恒流輸出式開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源（IC1），PC816A型線性光耦合器（IC2），可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431C（IC3），低功耗雙運(yùn)放LM358（IC4，內(nèi)部包括IC4a和IC4b兩個(gè)運(yùn)放）。該電路具有以下特點(diǎn)：

（1）利用IC4b、IC3、VD5和取樣電阻R3、R4構(gòu)成電壓控制環(huán)；由IC4a、VD6和過(guò)流檢測(cè)電阻R6組成電流控制環(huán)；

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

（3）增加了次級(jí)偏壓繞組NSB給控制環(huán)路供電，次級(jí)偏壓USB能自動(dòng)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(kāi)關(guān)電源的電路

圖5截流型開(kāi)關(guān)電源的輸出特性

圖615W恒功率型開(kāi)關(guān)電源的電路

圖7恒功率型開(kāi)關(guān)電源的輸出特性

使電源輸出電壓UO大幅度降低時(shí)仍具有恒流特性，僅當(dāng)UO≤0.8V時(shí)才進(jìn)入自動(dòng)重起動(dòng)狀態(tài)；

（4）使用一片TOP214Y型單片開(kāi)關(guān)電源，使額定輸出功率達(dá)到30W；

（5）采用由運(yùn)放構(gòu)成的電流控制環(huán)時(shí)，能將電流檢測(cè)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(huán)起作用，開(kāi)關(guān)電源工作在恒壓區(qū)。當(dāng)IO接近于2A時(shí)進(jìn)入恒流區(qū)，此時(shí)電流控制環(huán)起作用。IC4a的同相輸入端接電流檢測(cè)信號(hào)UR6，反相輸入端接分壓器電壓UFY。分壓器是由R5、R8和TL431C構(gòu)成的。IC4a在將UR6與UFY進(jìn)行比較之后，輸出誤差信號(hào)Ur2，再通過(guò)VD5和R1變成電流信號(hào)，流入光耦中的LED，進(jìn)而控制TOP214Y的占空比，使電源的輸出電流IOH在恒流區(qū)內(nèi)維持恒定。顯然，VD5和VD6就相當(dāng)于一個(gè)“或門”。若電流控制環(huán)輸出為高電平，電壓控制環(huán)輸出低電平，則電源工作在恒流輸出狀態(tài)；反之，就工作在恒壓輸出狀態(tài)。

精密恒壓/恒流源的輸出特性如圖3所示。圖中的實(shí)線和虛線分別對(duì)應(yīng)于U=Umin=85VAC、U=Umax=265VAC兩種情況。

4截流型開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

4.1截流型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

截流型開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是一旦發(fā)生過(guò)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(duì)電機(jī)等負(fù)載起到保護(hù)作用。利用晶體管構(gòu)成的正反饋式截流控制環(huán)，可實(shí)現(xiàn)上述功能，過(guò)載時(shí)將IO衰減到安全區(qū)域內(nèi)。

4.2截流型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)示例

12V截流型開(kāi)關(guān)電源的電路如圖4所示。該電路采用一片TOP202Y型單片開(kāi)關(guān)電源。截流控制環(huán)由晶體管VT1、VT2、R1～R4、IC2構(gòu)成，其電路簡(jiǎn)單，成本低廉。要求VT1和VT2的參數(shù)應(yīng)具有良好的一致性，能構(gòu)成鏡像電流源。截流型開(kāi)關(guān)電源的輸出特性如圖5所示。由圖可見(jiàn)，UO?IO特性曲線可劃分成3個(gè)工作區(qū)：恒壓區(qū)、截流區(qū)、自動(dòng)重起動(dòng)區(qū)。令輸出極限電流為ILM，下面對(duì)其輸出特性進(jìn)行分析。

（1）當(dāng)IO2）當(dāng)IO≈ILM時(shí)，截流控制環(huán)開(kāi)始工作，并在正反饋過(guò)程中使IO隨著UO的降低而迅速減小。此時(shí)UR1≈0.3V，US≈0.57V，由于VT2的發(fā)射結(jié)壓降UBE2=UR1＋US>0.7V，使VT2立即導(dǎo)通，而VDZ2因UO的降低而退出穩(wěn)壓區(qū)變成截止?fàn)顟B(tài)。于是，光耦LED上的電流就通過(guò)VT2分流。由于VT2的導(dǎo)通電阻很小，因此IF迅速增大，令TOP202Y的IC↑，占空比D↓，IO↓，開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入截流區(qū)。進(jìn)一步分析可知，R3上的電流是與UO成正比的，隨著UO的繼續(xù)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(jìn)一步減小，對(duì)負(fù)載起到截流保護(hù)作用。

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

5恒功率型開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

5.1恒功率型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)思想

恒功率型單片開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是，當(dāng)輸出電壓UO降低時(shí)，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(kāi)關(guān)電源可作為高效、快速、安全的電池充電器，對(duì)筆記本電腦中的電池進(jìn)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(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)示例

由TOP202Y構(gòu)成的15V、15W恒功率型開(kāi)關(guān)電源，電路如圖6所示。當(dāng)輸出電壓從15V（即100％·UO）降至7.5V（即50％·UO）時(shí)，恒功率準(zhǔn)確度可達(dá)±10％。恒功率控制電路由VT1、VT2、VDZ3～VDZ5、R1～R7構(gòu)成。VT1工作在飽和區(qū)。VT1和VT2應(yīng)選參數(shù)一致性很好的3DK4B型開(kāi)關(guān)管。R1為電流檢測(cè)電阻，VT2用來(lái)監(jiān)視R1上的壓降。該電路具有溫度補(bǔ)償特性，能對(duì)VT1、VT2的偏壓以及輸出電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)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(bǔ)償?shù)钠珘弘娐罚╒T1、R2），其作用是給VT2提供偏置電壓UB1，它的發(fā)射結(jié)壓降UBE1與UBE2相等且具有相同的溫度系數(shù)；

（3）電流檢測(cè)電阻（R1）；

（4）電壓補(bǔ)償電路（VDZ2、R6、R4），可對(duì)VT2的發(fā)射結(jié)電壓UBE2進(jìn)行補(bǔ)償；

（5）電壓調(diào)節(jié)電路（IC2、VDZ2、R5），利用帶穩(wěn)壓管的光耦反饋電路使UO在恒壓區(qū)內(nèi)保持恒定。

當(dāng)IO較小時(shí)VT2截止，而VDZ2處于穩(wěn)壓區(qū)，開(kāi)關(guān)電源工作在恒壓輸出方式下，UO=15V，此時(shí)恒功率控制電路不工作。設(shè)VT2的基極偏壓為UB2，僅當(dāng)UB2＋UR1=UBE2時(shí)，VT2才開(kāi)始導(dǎo)通，而VDZ2立即截止，電路就從恒壓控制迅速轉(zhuǎn)入恒功率控制，并按下述正反饋過(guò)程UO↓→IO↑→UR1↑→IF↓→IC↓→D↑→IO↑，使PO保持不變。

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

參考文獻(xiàn)

1PowerIntegrations公司產(chǎn)品手冊(cè)，2000

2沙占友等.恒壓／恒流輸出式單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理.電源技術(shù)應(yīng)用，2000(12)

3沙占友.低壓差集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用.集成電路應(yīng)用，2000(2)