利用恒流驱动技术的10～80 V宽电压输入串联型开关电源

金永镐， 杜忠昀

（延边大学工学院 电子信息工程系，吉林 延吉133002）

利用恒流驱动技术的10～80 V宽电压输入串联型开关电源

金永镐， 杜忠昀

（延边大学工学院 电子信息工程系，吉林 延吉133002）

为拓宽开关电源产品的电压范围，提出了1种基于恒流驱动模式的能在10～80 V宽电压范围工作的串联型开关稳压电源.该开关电源采用恒流方式驱动开关管，开关管在宽电压范围内始终能够得到理想的驱动电流.实验表明，该开关电源效率高、工作稳定、成本低，因此，可使用于工业用各种报警器产品和爆闪式信号灯中.

宽电压；恒流驱动；串联型开关电源

0 引言

随着电源市场的全球化，一些开关电源生产企业分别采用正激、反激、交错并联控制等方式实现了90～300 V的AC电压的宽电压输入［1］.工业用电子产品要求具有直流宽电压特性，其电压范围一般为12～30 V，但近年来由于12～48 V产品的不断出现，如韩国的80S－DC、S125S－DC爆闪式信号灯和SEWN50－DC警报器等，该电压范围已不能满足使用的需要.目前，很多用户开始提出10～80 V的宽电压产品［2］，因此，研究在10～80 V范围内能够稳定工作的开关电源势在必行.

由集成电路组成的串联式开关电源具有效率高、体积小、使用方便等特点，如L4960、LM2576 K34063等，但其最大输入电压一般在50 V以下且采用固定频率的PWM方式，因此，输入电压必须高于输出电压时才能稳定工作，这使得其在实际应用中受到一定的限制［3］.本文提出一种采用恒流方式驱动开关管工作的开关电源，其开关管在宽电压范围内始终能够得到理想的驱动电压.

1 通用串联型开关电源的工作原理及其优缺点

通用串联型开关电源的框图如图1所示.输出电压取样后经过误差放大器放大后控制PWM发生器产生脉冲，脉冲经过限流电阻后驱动开关管工作［4］.开关管导通时电感在储存能量的同时给滤波电容和负载供电，开关管断开时电感释放储存的能量使负载得到较稳定的连续电流，因此这种电源在小电感下可传输较大的功率；但其输入电压在宽范围变化时，很难选择合适的限流电阻［5］.例如：如果选择小的限流电阻，低电压下的驱动特性较好，但高电压时由于电阻上的损耗过大和开关管过于饱和，使得开关特性变差；如果选择大的限流电阻，高电压下驱动特性虽好，但低电压时由于开关管工作在线性区而导致其过热.

图1 通用串联型开关电源框图

2 恒流驱动模式驱动的串联型开关电源

2.1 电路的组成

恒流驱动模式宽电压输入的串联型开关电源的框图如图2所示.为了在驱动级上实现低损耗，必须控制驱动电流使开关管在小电流下获得较理想的驱动波形，而在宽电压范围内实现恒流驱动的关键是恒流模式的施密特比较器.

图2 恒流驱动模式驱动的串联开关电源框图

2.2 恒流驱动模式的施密特比较器工作原理

图3为恒流模式的施密特触发器电路图.施密特比较器由Q3、Q4、R6组成，产生开关信号恒流电路由Q2、Q3、R6组成，当Q3处于导通状态时，Q2控制Q3的基极电压使其提供恒定的电流.恒流值取决于Q2的PN结电压和R6的阻值，即由式I＝UBE／R6≈0.6／R6决定.

图3 恒流模式的施密特比较器

图3中的恒流源电路虽然结构简单，但恒流特性很好.图4为恒流设定值分别为6 m A和20 m A，工作电压在5～80 V范围内改变时，恒流端输出的电流值的变化曲线.从图4可知，设定值下的变化量约为7.2%，如果需要更高的精度把工作电压用稳压管稳压后即可获得变化量小于1%的恒流效果.在本文实验中，使用6 mA的电流驱动场效应管，使用20 m A的电流驱动三极管.

图4 工作电压改变时恒流值的变化曲线

2.3 驱动三极管时的工作原理

图5为驱动三级管的电路图.由于三极管是电流控制器件，因此直接驱动即可获得良好的开关特性.如果工作时需要的功率较大，则可使用复合管作为功率管.

图5 驱动三级管的电路图

图6为输入电压分别为10、20、60 V，输出功率为5 W时的工作波形图.从图6可以看出，当输入电压低于输出设定值时开关管总是导通，当输入电压超过输出电压设定值时开关管开始进行开关，且在20 V和60 V时开关波形良好.

图6 不同输入电压时的工作波形图

2.4 驱动MOSFET时的工作原理

场效应管是电压控制器件，需要的驱动电流很小，但其GS两端存在的寄生电容（500～1 500 P）会使驱动脉冲的上升沿和下降沿变得缓慢，导致开关特性变差和开关管发热.

图7为利用图5电路直接驱动场效应管时的工作波形.由图7可以看出，利用20 m A的电流驱动场效应管时，导通点的上升沿较快，但截止点延迟一段时间后关闭且下降沿缓慢，从而引起较大的开关损耗.因此，用恒流源驱动MOSFET时应解决2个问题：一是提高脉冲电压改变时瞬间驱动能力，二是驱动电压大小.

图7 直接驱动场效应管时的工作波形图

图8为驱动场效应管的电路图.图中Q2和Q6组成驱动级，这样能够大大提高恒流源的驱动能力，使开关管迅速进行开关.电阻R2的作用是提供上拉电流和决定驱动电压大小，恒流源的电流乘R2的阻值可获得驱动电压，一般驱动电压取8～15 V.增加驱动级以后，可利用较少的电流（1～6 m A）驱动场效应管，从而进一步减少驱动功耗.

图8 驱动场效应管的电路图

图9为用图8电路，在输入电压分别为10 20、60 V，输出功率为20 W时，以6 m A驱动电流驱动场效应管时的驱动电流波形.从图中可以看出，驱动脉冲的波形很好，不论输入电压如何改变，场效应管GS两端的驱动电压始终都能够保持在10 V.

图9 驱动场效应管的工作波形图

3 结论

采用恒流模式的施密特比较器来驱动三极管和MOSFET进行实验，测得的波形和数据表明该开关电源能够使开关管在10～80 V宽电压范围内始终得到理想的驱动电压，且动态跟踪性能好；因此，开关稳压电源的效率高，且工作稳定、电路简单、成本低.其在小功率工作时使用三极管驱动电路，在大功率工作时使用MOSFET驱动电路.本文提出的开关电源可使用于工业用各种报警器产品和爆闪式信号灯中，由于以低成本实现了宽电压特性，因此能够提高产品的竞争力.

［1］ 陈颖，尹华杰.一种具有较宽输入电压范围的电源适配器的设计［J］.通信电源技术，2006，23（4）：44－46.

［2］ 陈越，吴新科，钱照明.基于LLC拓扑的宽电压输出LED驱动电源研究［J］.电力电子技术，2011（3）：79－81.

［3］ 刘浩，陈志.一种宽电压输入范围降压稳压电路的设计［J］.微电子学，2011（1）：53－56.

［4］ 金永镐，徐红梅.基于同步模式的宽电压输入串联型开关电源［J］.电力电子技术，2008，42（8）：71－72.

［5］ 林壮，胡进，杭丽君，等.基于NCP1601的超高电压输入PFC的设计［J］.电源技术应用，2011（11）：40－44.

Series switching power supply with 10～80 V wide voltage input using the constant－current driving technology

JIN Yong－gao， DU Zhong－yun
（Department of Electronic Information and Engineering，
College of Engineering，Yanbian University，Yanji 133002，China）

To widen the switching power supply voltage range，a switching regulation power supply which can be working in the wide range of 10－80 V voltage based on the driving mode of constant－current is presented.The switching power supply that adopts constant－curent mode to drive switching tube can make switching tube always have perfect driving current in the wide range of voltage.The results show that the switching power supply is high efficiency，working steadily and low cost，so it can be applied to the industrial annunciators and the burst flashing signal lamps.

wide voltage；constant－current driving；series switching power supply

TM910

A

1004－4353（2012）03－0232－04

20120716

金永镐（1964—），男，博士，教授，研究方向为智能开关技术及智能变换.