一种小功率开关稳压电源的设计

谭立啸

（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆163319）

开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，已成为稳压电源的主导产品。当今开关电源向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向[1]。实现了一种小功率的开关稳压电源，其主要性能指标为：输出电压可调范围为30 V～36 V；最大输出电流2 A，且当输出电流从0变到2 A时，负载调整率小于等于5%；DC-DC变换器的效率大于等于75%；具有过流保护功能。

1 理论基础

采用调宽式即脉宽调制型（PWM）技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形调宽式开关稳压电源的控制原理如图1所示[2，3]。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压U0可由下面公式计算：

式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。

当Um与T不变时，直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可达到稳定电压的目的。

图1 脉宽调制式开关电源控制原理图Fig.1 Switching power supply control principle diagram based on pulse widthmodulation

2 开关稳压电源的设计

开关稳压电源的电路原理框图如图2所示。

图2 开关电源电路框图Fig.2 Switching power supply circuit diagram

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成分的直流电压，该电压通过功率转换电路进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

2.1 输入整流滤波电路的设计

在输入端先通过EMI滤波器来防止电磁干扰，整流滤波电路是将输入18 V、50 Hz的交流电压变换成滤波后有脉动的直流电压。通常采用容性负载整流电路[4]。如图3中所示。

图3 输入整流滤波电路Fig.3 Input rectifier filter circuits

2.2 主变换电路的设计

主变换电路含开关功率管驱动电路、开关电路、输出隔离变压器电路，是开关电源变换的主通道，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和隔离变压器是其核心器件。由于控制部分和主电路部分电压相差不大，选择了非隔离式的直接驱动。它具有电路结构简单，不需要提供隔离电源，成本较低，对脉冲信号无传输延迟等优点，能够满足驱动快速性，较强驱动能力的要求。由于本系统中的辅助电源输出大约15 V，因此SG3525的PWM输出脚的电压约为15 V，电阻分压后得到大约10 V的电压来驱动MOS管，D1、D2是15 V稳压管，用来防止MOS管栅一源过电压而损坏。D5、D6选用了UF4006型超快恢复二极管，其反向耐压为400 V，在MOSFET截止瞬间，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被D5、D6吸收掉。C4、C5是驱动电压对其充电，从而使开关波形有足够的上升和下降陡度，提高开关速度。具体电路如图4所示。

图4 主变换电路Fig.4 Main transform circuit

2.3 高频变压器的绕制

在推挽式结构的开关电源中，高频开关变压器既是储能元件又是传递能量的主体，设计难度较大，是一个十分关键的环节[5]。高频变压器的漏感应尽量小，一般选用锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用PQ或EE型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。本设计就选用PC40材质制成的PQ型铁氧体磁芯，它属于高频低功耗电源铁氧体材料。经过反复调试最终设计的高频变压器初级线圈用六股0.51 mm绕了6匝，次级线圈用0.51 mm的铜线3股并绕了14匝，初级和次级线圈都有中间抽头，使得能够流过满足设计要求的足够大的电流。

2.4 输出整流滤波电路设计

选用肖特基二极管作为整流二极管，选取MBR2020型的肖特基二极管，作为整流二极管。输出滤波电路的作用是滤除整流电路输出的脉动直流中的交流分量，得到平滑的直流输出。相较与输入滤波电路，高频变压器输出电流要进行高频滤波，选用滤波电容来构成高频滤波电路。在经过肖特基二极管整流后串加LC滤波电路进一步降低纹波。考虑到电感工作时电流密度在允许的范围内，用0.51 mm的漆包线3股并绕，此种绕线方法可以减少大约20%的圈数。

本设计中的滤波电容采用电解电容器，滤波电容器的阻抗值会直接影响到波纹的输出，而且也会影响到其本身的寿命，必须选用低阻抗的高频电解电容，经过计算选取2个680 uF/50 V的电解电容。

2.5 SG3525外围控制电路的设计

整个控制电路如图5所示，SG3525的基准电平P16脚提供5.1 V高精度电压基准，5.1 V输出电压经取样电阻器R1、可调电阻RP1分压后获得取样电压，送至误差放大器同相输入端；当一脚误差放大器反向输入端的电压与2脚的有偏差时，SG3525将对输出的PWM波形进行调整。当V0上升时，SG3525内部误差电压Vr将上升，输出的脉冲宽度将变窄，经输出电路迫使V0下降，从而达到稳压目的。6脚连接可调电阻RP3，改变RP3的大小，这样就可调控SG3525输出的PWM脉冲频率，同时通过调节SG3525的2脚电压来改变输出脉宽，即可调节输出电压。连接7脚的可变电阻RP2为死区时间设定，当RP2为0时SG3525输出的PWM波形占空比可接近50%，而增大其阻值可减小其最大占空比。

9脚接较小容量的解耦电容0.1 uF，滤除产生的谐波，以免影响系统的正常工作。15脚是芯片电源，接到辅助电源输出端，13脚接小电阻R6后也接到辅助电源输出端。

图5 输出电压反馈电路设计Fig.5 Design of output voltage feedback circuit

采用电压环进行闭环调节实现输出电压的稳定输出，反馈回路的形式由输出电压的精度决定，本电源采用光耦M0C8102和TL431，它可以将输出电压变化控制在±4%以内，反馈电压由36 V电源的直流输出端取样。输出电压U0通过电阻分压器R15、R16和R17获得取样电压后，与TL431中的2.5 V基准电压进行比较后输出误差电压，然后通过光耦改变SG3525的误差反相输入端，通过经由16脚5 V基准源分压后输入误差放大器同相端2脚的电压进行比较，进而使占空比发生变化，通过此变化调节输出电压U0，使其稳压。

2.6 过流保护部分设计

在电源初级输入端采用自恢复保险丝来实现过流保护，此电源最大输出电流限制为2.5 A，考虑到电源工作效率为75%，电源总输入最大功率为120W，则电源输入最大电流6.67 A，因此在输入端加入耐压30 V，保护电流7 A的自恢复保险丝来实现整个电源的保护。次级使用电流互感器实现过流保护，当电流互感器从负载端感应出交流电流，将互感器的交流电流转化为交流电压，通过由直流电压桥式整流器把其转化为直流电压，电压超过5.1 V时稳压管击穿，在滑动变阻器将上产生电压。由滑动端输出的信号接到SG3525 A的10脚上，当10脚电压超过1.4 V时，将使PWM锁存器关断，直至下一个时钟周期才能够恢复。

3 结束语

阐述了开关电源的控制原理，主要电路的设计过程及推挽式高频变压器的绕法，达到了小功率的开关电源的各项性能指标。开关电源在实际运行中，谐波量是比较大的，需要进一步研究如何有效地抑制谐波，或者加入去噪环节，以提高准确性。

［1］赵肖宇.基于单片机的后备电源电压和电流监测仪设计［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2010，22（3）：34-36.

［2］马尼克塔拉.开关电源设计与优化［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［3］冯桂林.开关稳压电源原理与实用技术［M］.北京：科学出版社，2005.

［4］何希才.新型开关电源及其应用［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［5］倪海东，蒋玉萍.开关电源专用电路设计与应用［M］.北京：中国电力出版社，2008.