小功率、宽输入、高带载能力开关电源的设计与制作

俞先锋

(浙江水利水电专科学校，浙江 杭州 310018)

0 引言

目前市场上小功率、宽输入开关电源或适配器产品已是琳琅满目，款式繁多，并已经广泛应用于工业、民用产品之中，担当着不可缺少的角色.归纳这类电源的指标无非是输入电压范围、输出电压、输出功率等，但许多产品一提起输出的稳压性能指标，就只能回避.本文提出了一款具有宽输入电压范围(85～265 V)、高带载能力(即高输出稳压性能)的小功率开关电源的设计方案，并介绍了+5 V/10 W样品的制作及调试过程.

1 系统分析与设计

1.1 系统实现的指标

要求所设计的开关稳压电源的技术指标为:

(1)输出+5 V±1%，最大输出电流2 A;

(2)电压调整律＜±1%;

(3)负载调整率＜±1%;

(4)效率为80%以上;

(5)电源输入85～265 VAC，工频.

1.2 系统设计构想

根据系统实现的要求，可以采用图1所示框图的设计方案.

图1 电源系统结构图

从图1中可以看出，将交流电先可以经过桥式不控整流，然后经过简单的大电容滤波，得到300多伏的直流电压，由于系统要求的输出功率最大只有10 W，对于小功率的开关电源，通常采用反激式DC-DC变换器，故设计中采用的是反激式DC-DC变换器，而变换器控制电路采用专用的控制IC构成的PWM控制电路，以下推荐使用的是由美国PI公司开发的TOPSwitch-HX系列集成开关电源芯片TOP254YN.

1.3 TOP254YN器件简介

TOP254YN是由美国PI公司开发的 TOPS-witch-HX系列集成开关电源芯片，在一个单片器件上集成了一个耐压700 V的功率MOSFET、高压开关电流源、PWM控制器、振荡器、热关断电路、故障保护及其他控制电路.该芯片能将控制引脚输入电流转化为高压功率MOSFET开关输出的占空比.在正常工作情况下，功率MOSFET的占空比随控制引脚电流IC的增加而线性减少.该芯片除了像三端TOPSwitch一样，具有高压启动、多模式工作(线性频率降低至66 kHz或132 kHz)、逐周期电流限制、环路补偿电路、自动重启动、输出过压保护、热关断等特性外，还综合了多项能降低系统成本、提高电源性能和设计灵活性的附加功能.

2 系统具体设计

该电源系统主要是采用TOPSwitch-HX系列集成电源芯片TOP254YN构成的反激式DC-DC变换式电路，整个电源设计可分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路及反馈控制电路五部分［3］.电源实际电路图，见图2.

图2 电源实际电路图

2.1 输入整流滤波电路

输入整流滤波电路包括短路保护、防浪涌电流保护、共差模干扰抑制电路、整流、电容滤波几部分.其中防浪涌电流保护通过输入端串接一个NTC负温度系数的热敏电阻来实现.共差模干扰抑制主要是抑制共模干扰和差模干扰，其中C7是为了抑制差模干扰;T1为共模滤波器，是为了抑制共模干扰.滤波电容C1的容量与电源效率、输出功率密切相关.一般对于宽范围输入的开关电源，滤波电容的容量可按比例系数(2 uF/1 W)来选取.

2.2 钳位保护电路

在开关电源中起重要作用的开关在每个开关周期内，在它关断时刻将导致变压器漏感产生尖峰电压.由DW1和D5构成漏极钳位保护电路可将此尖峰电压钳位到安全值以下.DW1选用P6KE200A型瞬态电压抑制器 TVS，D5选用快恢复二极管FR107.DW1和D5的选择由反射电压VOR决定，VOR推荐值为135 V.DW1的钳位电压V可根据经验公式V=1.5 VOR选取;D5的耐压值应大于整流后的最大电压值［4］.

2.3 高频变压器

在反激式开关电源中，高频变压器起着储能和传递能量重要作用，设计的主要参数包括初级电感量LP，变压器变比N，初、次级绕组匝数NP、NS和辅助绕组匝数NF以及各绕组导线线径等［4］.

高频变压器是根据输入直流电压、输出直流电压、输出功率、开关频率以及开关管的耐压等因素通过AP计算法来设计，具体设计方法可以参照［1］中有关章节所述.

2.4 输出整流滤波电路

输出整流滤波电路由整流二极管和LCπ型滤波电路构成.由于输出端是对高频脉冲电压进行整流滤波，故该处选用了低功耗、大电流、超高速半导体器件肖特基二极管MBR360，其中二极管上并接RC吸收电路是为了吸收二极管反向恢复尖峰电压.滤波电路由高性能的LCπ型滤波电路构成.

2.5 反馈控制电路部分

该电源主要采用电流脉宽调制(PWM)闭环控制.TOPSwitch-HX属于漏极开路输出并且利用电流来线性调节占空比的AC/DC电源变换控制器，即电流控制型开关电源控制器.通过反馈电流IC的控制，来连续调节脉冲占空比，实现电流脉宽调制(PWM)，达到稳压目的.当输出电压UO升高时，经过光耦反馈电路使得IC增大，占空比减小，经反激变化器使输出电压随之降低，最终使UO维持不变.其中，脉宽调制(PWM)采用开关频率固定而占空比可调的控制方式.

开关电源的反馈回路有四种基本形式:基本反馈电路、改进型反馈电路、带稳压管的光耦反馈电路和带TL431的光耦反馈电路［2］.该电源的输出反馈端采用高精度稳压器TL431加光耦PC817构成的反馈电路.输出电压反馈信号经分压网络引入TL431的调整端，转化为电流反馈信号，然后经过光耦隔离后输入TOP254YN的控制端C.

根据TL431的工作原理，为了能使电源输出+5 V电压，则两个分压电阻采用一个阻值为5.1 kΩ精度为1%的固定电阻和一个阻值为10 kΩ精度为1%的多圈电位器，用来调节输出电压的精度.

另外C10的应用主要是考虑反馈网络补偿，R6、C9以及C8起着滤波作用，消除控制端的脉冲干扰，R5是起着外部流限的设定作用，R1(4 MΩ)的设置是为了输入端直流母线电压的欠压(108 V)、过压(451 V)监测.TOP254YN的 S脚直接接地，意味着开关频率选用132 kHz.

3 +5V/10W电源样品的制作与调试

3.1 电路制作

开关电源的制作指根据设计好的电路原理图和元器件参数，选取符合要求的元件并检测;绘制PCB板并制作电路板;制作高频变压器;焊接元器件;电路调试及形成产品的过程.

根据上面的设计，整个电源样品所选的元器件参数见实际电路图上所示.

3.1.1 PCB 板的设计与制作

图3所示的是电源PCB板图.整个电源的PCB板是单面板，按照能量以及信号的走向进行总体布局，它的上半部分主要是主回路(功率回路)，由于回路中的电流较大，故相应的线路应设计得尽量短，而且需要用粗铜箔，以降低辐射电磁干扰，同时高频部分(与高频变压器相连接的部分)的器件之间的连线应尽量短，减小寄生参数的影响.而下半部分主要是反馈控制回路，线路可以设计得较细，该部分应尽量远离TOP254YN和其它有可能产生噪声的器件.以变压器以及光耦为界，将两边的地均进行了大面积的覆铜处理.根据PCB板的设计图加工成实际电源的电路板.

图3 电源PCB板图

3.1.2 高频变压器的制作

高频变压器的制作是非常重要的一个环节，不仅要制作的合理正确，而且还要注意工艺.本电源设计的高频变压器，其中原边绕组(1－2)67匝，采用单股32号AWG漆包线，副边绕组(3－4)3匝，采用3股25号AWG漆包线，辅助绕组(5－6)9匝，采用双股32号AWG漆包线.磁芯采用EF20.变压器的绕制是采用三明治方式，绕制方法的结构图，见图4.

图4 高频变压器的绕制结构图

3.2 电源调试

调试的内容主要有三个方面:(1)电源的电压调整率;(2)电源的负载调整率;(3)电源的效率.

3.2.1 基本输出功能调试

电源制作好之后先进行基本输出功能的调试.将输入交流电源先通过调压器，然后在连接隔离变压器，之后接入开关电源.将调压器调成220 V输出.先通过设置断点调试前级输入整流滤波部分，然后断开反馈采样，进行开环调试，最后进行闭环调试，通过调整电位器W1，使得输出为+5 V电压.

3.2.2 电源的电压调整率测试

首先将负载调整到5欧姆，即额定输出+5 V/1 A，然后调整调压器，使得输入电压从85 V至265 V逐步变化，间隔可以20 V.将每次输入电压对应的输出电压进行测试，并记录于表1中.

表1 电源电压调整率测试表

根据所测的数据可以计算得出电压调整率为:

3.2.3 电源负载调整率与效率的测试

将输入电压调整到220 V，即额定输入电压，然后调整负载滑线变阻器，用万用表分别测量输出电压和输出电流，同时用交流功率表测量输入功率，并将所测得的数据记录，见表2.

表2 电源负载调整率以及效率测试表

根据表2所测得的数据可以计算得出电源负载调整率为:

4 结语

本文提出的小功率、宽输入电压、高带载能力的开关电源，采用PI公司的TOPSwitch-HX系列集成开关电源芯片TOP254YN为核心器件构成的反激式变换器，整个电源体积小、重量轻，从样品的调试结果还可知其电压调整率和负载调整率均很小，即可实现宽输入电压，并且带负载能力很强，稳压性能很高，稍遗憾的是效率不是太高，这主要跟高频变压器的设计制作有关，可以尽量完善其设计参数以及提高其制作工艺来适当提高效率.

［1］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［2］沙占友，等.单片开关电源最新应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［3］何希才.新型开关电源及其应用［M］.北京:人民邮电出版社，1996.

［4］周艳姣，白志峰，曹秉刚.TOPSwitch-GX系列芯片的单端反激式开关电源设计［J］.电源世界，2007(11):63－65.