一种输出电压4～16V开关稳压电源的设计
摘 要： 介 绍 一 种 采 用 半 桥 电 路 的 开 关 电 源 ， 其 输 入 电 压 为 交 流 220V± 20％ ， 输 出 电 压 为 直 流 4～ 16V， 最 大 电 流 40A， 工 作 频 率 50kHz。 重 点 介 绍 了 该 电 源 的 设 计 思 想 ， 工 作 原 理 及 特 点 。
关键词： 脉 宽 调 制 ； 半 桥 变 换 器 ； 电 源
1 引 言
在 科 研 、 生 产 、 实 验 等 应 用 场 合 ， 经 常 用 到 电 压 在 5～ 15V， 电 流 在 5～ 40A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 4V～ 16V连 续 可 调 ， 输 出 电 流 最 大 40A的 开 关 电 源 。 它 采 用 了 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 。
2 主 要 技 术 指 标
1） 交 流 输 入 电 压 AC220V± 20％ ；
2） 直 流 输 出 电 压 4～ 16V可 调 ；
3） 输 出 电 流 0～ 40A；
4） 输 出 电 压 调 整 率 ≤ 1％ ；
5） 纹 波 电 压 Up p≤ 50mV；
6） 显 示 与 报 警 具 有 电 流 /电 压 显 示 功 能 及 故 障 告 警 指 示 。
3 基 本 工 作 原 理 及 原 理 框 图
该 电 源 的 原 理 框 图 如 图 1所 示 。
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 。
4 各 主 要 功 能 描 述
4. 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 。
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 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 。
4. 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 。
4. 3 功 率 变 压 器 的 设 计
1） 工 作 频 率 的 设 定
工 作 频 率 对 电 源 的 体 积 、 重 量 及 电 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=20μ s
2） 磁 芯 选 用
① 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 。
② 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。
③ 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 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 ： η — — 效 率 ；
j— — 电 流 密 度 ， 一 般 取 300～ 500A/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 0.1～ 0.5左 右 。 
由 厂 家 手 册 知 ， EE55磁 芯 的 S=3.54 cm2,Q= 3.1042 cm2,则 SQ=10.9 cm4， EE55磁 芯 的 SQ值 大 于 计 算 值 ， 选 定 该 磁 芯 。
3)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=1.2× 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
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 ， 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
4） 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 Δ 由 式 （ 2） 决 定
式 中 ： ω 为 角 频 率 ， ω =2π fs；
μ 为 导 线 的 磁 导 率 ， 对 于 铜 线 相 对 磁 导 率 μ r=1， 则 μ =μ 0× μ r=4π × 10－ 7H/m；
γ 为 铜 的 电 导 率 ， γ =58× 10－ 6Ω m；
穿 透 深 度 Δ 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 为 Δ =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 3～ 6A/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 。
4. 4 辅 助 电 源 的 设 计
辅 助 电 源 采 用 RCC变 换 器 （ Ringing Choke Converter） ， 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 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。
4. 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 。
4. 6 风 扇 风 速 控 制 电 路
风 扇 风 速 控 制 电 路 见 图 5。 利 用 二 极 管 正 向 管 压 降 随 温 度 升 高 而 呈 下 降 趋 势 的 特 性 ， 将 D9、 D10做 为 散 热 器 温 度 采 样 器 件 。 方 法 是 将 D9、 D10两 二 极 管 紧 靠 在 散 热 器 上 ， 当 散 热 器 随 输 出 功 率 加 大 而 温 度 升 高 时 ， 运 放 N2A正 相 输 入 端 电 平 降 低 ， 输 出 低 电 平 使 三 极 管 Q3开 始 导 通 ， 风 机 上 电 压 升 高 ， 转 速 升 高 ， 最 终 到 达 最 高 转 速 。 当 负 载 较 轻 ， 使 散 热 器 温 度 低 于 50℃ 时 ， N2A输 出 高 电 平 ， Q3不 导 通 ， 辅 助 电 源 12.5V经 电 阻 R57降 压 给 风 机 供 电 ， 风 机 处 于 低 速 、 低 噪 声 运 行 状 态 。 此 电 路 可 以 提 高 风 机 工 作 寿 命 ， 增 加 电 路 可 靠 性 ， 亦 可 在 小 负 载 情 况 下 ， 减 少 风 机 带 来 的 噪 声 。
4. 7 PWM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 。
4. 8 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 D2～ D4， 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 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 R45～ R56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 。
5 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 ≥ 85％ ， 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
[1] 叶 治 政 ,叶 靖 国 .开 关 稳 压 电 源 [M].北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 .1998.
[2] 何 希 才 .新 型 开 关 电 源 及 其 应 用 [M].北 京 ： 人 民 邮 电 出 版 社 .1996.
薛红兵
(信息产业部电子第二十研究所，陕西 西安 710068）
