针对宽输入范围开关稳压电源的研究与设计

王如昌，张文超

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)



针对宽输入范围开关稳压电源的研究与设计

王如昌，张文超

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

摘要：针对输入电压为45～275 V的开关电源，提出了一种基于全桥和Boost的设计方案.输入电压在45～100 V时先通过Boost升压电路将电压升到110 V，然后经过全桥得到所需的电压，输入电压在100～275 V时直接通过全桥电路获得所需电压.针对该方案对外围辅助电路进行了具体优化和设计，使得输出的电压纹波小于0.5%，达到了良好的稳压效果，验证了方案的可行性.

关键词：宽输入；全桥；Boost；稳压电源

0引言

线性稳压电源虽然具有输出电压稳定度高、纹波电压小、可靠性强等优点，但其电源效率低，并且需要使用体积庞大的工频变压器[1-2].与线性电源相比，开关电源具有电路结构简单、电路设计简单、效率高、稳压范围宽、整机温升变化不大且多路电压输出易于实现等优点，被广泛用于各种生活、生产电子设备电源电路中.随着开关电源在各行业的大范围运用，对开关电源的性能指标提出了更加严格的要求.在某些边远地区对开关电源的输入电压范围要求更宽[3]，但是普通的开关电源的输入范围一般为90～265 V.本文针对这一情况进行了研究和分析，提出了解决方案，方案先对输入电压进行比较，再对输入电压45～100 V的部分进行升压处理，高于100 V的直接通过全桥变换器得到所需电压.本方案适用于偏远地区以及电力不稳定的地方，具有良好的应用前景.

1设计总体方案

图1　宽输入电源原理框图

本设计的总体原理框图如图1所示.交流输入首先经过整流电路转化为直流，整流桥输出端接到迟滞比较器.通过迟滞比较器对输入电压进行比较，若输入电压低于100 V则输出一个高电压信号控制继电器使其工作在闭合状态[4-7]，整流桥输出的电流先经过Boost升压电路将电压升高到110 V，再通过全桥变换器将电压转换为所需电压供给负载；若输入电压高于100 V则输出一个低电压信号控制继电器使其处于常开状态，整流桥输出直接通过全桥变换器将电压转换为负载所需电压.

2电源技术指标

输入交流电压有效值范围为45～275 V；输出5路，分别为：1)U1为24 V/10 A，电压纹波小于120 mV，电压精度为2%；2)U2为12 V/10 A，电压纹波小于60 mV，电压精度范围11.8～12.2 V；3)U3为-12 V/10 A，电压纹波小于60 mV，电压精度范围-12.2～-11.8 V；4)U4为-5 V/10 A，电压纹波小于25 mV，电压上下波动不超过0.15 V；5)U5为5 V/10 A，电压纹波小于25 mV，电压上下波动不超过0.15 V.整机平均效率不低于85%.

图2　EMI滤波器和整流电路

3电路设计

本设计为宽范围输入的开关电源提出一种具体解决方案，并给出了部分重要电路详细的计算过程并对部分元器件的选择进行研究和实验.由于篇幅所限，本文主要对输入EMI滤波器、整流电路、全桥变压器、反馈电路等设计进行说明，其余电路不再赘述.

3.1输入EMI滤波器和整流电路设计

为减少电网与电源之间的互相干扰，增加了输入EMI滤波器，并根据具体需要进行了一定的改进，使其满足技术指标.输入EMI滤波器和整流电路如图2所示.

EMI滤波器由两个抗串模干扰的X电容(C1和C2)和两个抗共模干扰的Y电容(C3和C4)及一个共模扼流线圈(L)组成.X电容一般采用两级电容，前一级选用0.47 μF，第二级选用0.1 μF.X电容容量大小和电源的功率无直接的关系，一般采用0.1～1 μF均可，根据输入电压最大有效值可采用X2电容[8].Y电容是高压陶瓷电容，一般取值在1～100 nF，本设计采用4.4 nF的Y2电容，共模扼流线圈电感取值在100～1 000 mH，本设计采用由铁氧体磁环绕制的220 mH共模扼流线圈.

图3　桥式变压器磁芯选择图

3.2全桥变压器设计

本设计选用铁氧体为磁芯的全桥式变电路变压器，输入电压为90～275 V(AC，50 Hz)，工作频率为40 kHz，输出功率P0=580 W，效率为85%.

3.2.1输入功率的计算

(1)

桥式工作磁芯选择图如图3所示.根据图3选定A16铁氧体材料EE55/25/25，有效磁芯截面积Ae=354 mm2，感应密度增量△B=0.2 T.

3.2.2最低一次直流电压的计算

输入电压波动±10%，则最低一次直流电压Vp为：

V1 min=90-90×0.1=81 V

(2)

(3)

当占空比为0.5时，功率管一个周期内导通的最大时间ton(max)为：

(4)

一次绕组匝数Np为：

(5)

3.2.3每伏匝数的计算

每伏匝数n为：

(6)

设二极管管压降为0.8 V，整流滤波绕组压降为1.2 V，则24 V输出对应的二次绕组匝数为：

(7)

这里取5匝.其余4路输出计算由于篇幅所限就不赘述了.

3.2.4注意事项

在绕制变压器时，首先，注意伏秒值平衡问题.它与半桥式相似，由于两只晶体管的储存时间不同或是输出整流二极管正向电压不同，会引起变压器一次绕组所承受的正向或反向伏秒值不平衡，这种不平衡会造成变压器运行期间磁感应强度阶梯式趋向饱和[9-11]；其次，注意瞬时饱和效应.全桥式变换电路一般是一对晶体管在饱和点附近工作，如果电源负载瞬时增加，控制电路则必须使脉冲加宽，这样才能补偿损耗和增加输出电流，其结果是磁铁心会出现单向饱和，这就是瞬时饱和效应，将使晶体管产生过电流.这时只有降低晶体管的放大倍数，才可使输出电压波动减小，适当地增加脉宽，有可能防止出现瞬时饱和效应.

3.3Boost升压电路

图4　Boost变换器的简化电路

升压式变换器简称Boost变换器，Boost变换器电路简化图如图4所示.

Ui为直流输入电压，U0为直流输出电压，VT为IGBT开关管.当脉冲调制器(PWM)控制VT导通时，此时电感L上有脉冲电流通过从而在电感上存储电能，电压极性表现为左端为正、右端为负，进而使整流二极管VD截止，此时电容C对负载放电.当PWM控制开关管VT截止时，电感L上产生的反向电动势其极性是左端为负、右端为正，使得VD导通.L上储存的电荷经过由L、RL和VD构成的回路给负载供电，同时对电容C进行充电.由于开关频率足够高，使的输出电压U0能一直保持在一个稳定的范围内.

3.4反馈电路设计

图5　反馈电路原理图

本设计的反馈电路由精密可调稳压器TL431和光耦合器PC817组成，其电路图如图5所示.

光耦合器具有以下几点优点：可以实现单向传输信号；输入端和输出端可以实现完全的电气隔离；具有良好的抗干扰能力；传输距离远易于布线；较高的传输效率等[12-13].

4实验结果验证

本设计通过理论计算和实验仿真，并根据其原理制作了实物，其实物图如图6所示.

图6　设计实物图

电源纹波的大小是一个开关电源优良与否的重要参数，纹波小的电源是确保数字电路稳定工作的保证，同时也能确保模拟电路稳定工作.因此为有效确保电源高质量工作，必须对输出纹波进行测量.

正确的测量方法：

1)限制示波器带宽为20 MHz，以有效避免数字电路的高频噪声对纹波测量的影响，尽可能保证测量的精确性；

2)将耦合方式设为交流耦合，以方便测量输出纹波(以交流方式测量纹波可以有效地减少直流分量对纹波测量的影响，更加的精确的测量纹波)；

3)确保示波器与测试设备之间除探头之外没有任何的共地，若示波器与设备之间有多余的共地，将会导致测试点的多点地形成耦合，造成测试结果出现偏差[14-15]；

通过对改变输入电压对设定输出24 V路进行了多次纹波和稳压测试测得其输出电压及对应的纹波峰峰值并求得平均值和误差，对实验数据处理得到表1和图7.通过表1和图7可以看出电源达到了良好的稳压效果，市面上常见的电源在输出24 V时的纹波一般在120～240 mV，通过对比可以发现本设计的纹波处理优于市面上常见的电源.由于篇幅所限，其余4路的测试不再赘述.

将5路输出加上满载的功率电阻对整机进行多次实验，测得每次输出电压、输入功率，通过计算得到输出功率并计算出各次的效率以及对应平均效率值.各次输入功率因数通过实验器材直接得到并求得平均值及误差.其结果如表2所示.

常见的线性电源效率一般在70%～75%，开关电源的开关效率在85%～90%，功率因数一般在0.90左右，通过表2和图7可以看出本设计的测试结果优于市面上常见的开关电源.

表1　稳压效果测试

表2　整机测试结果

图7　输出电压和纹波散点图

5结束语

本文研究设计了一种针对宽输入范围开关电源的方案，为了验证方案的可行性和实用性，依照设计制作了实物.通过对实物进行各种测试，达到了预期指标，同时也发现了部分问题，如负载调整率还需进一步提高.本设计解决了在某些环境下需要多台开关电源联机工作才能完成所需电压变换，节约了成本，并防止了误接电源发生安全事故，具有良好的应用前景.

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Research and Design of Switching Power Supply with Wide Input Range

WANG Ruchang, ZHANG Wenchao

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：A design scheme based on full bridge and Boost is proposed based on the input voltage of 45-275 V. The input voltage is raised to 110 V through the Boost converter when input voltage at 45-100V, and then the required voltage is obtained by the whole bridge, and the required voltage is obtained directly through the full bridge circuit when input voltage at 100-275 V. In this scheme, the design of the peripheral auxiliary circuit is optimized and designed, the output voltage ripple is less than 0.5%, which achieves the good effect, and the feasibility of the scheme is verified.

Key words：wide range input; full bridge; Boost; voltage stabilized power supply

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.02.004

收稿日期：2015-07-10

作者简介：王如昌(1989-)，男，山东梁山人，硕士研究生，电子与通信工程.通信作者：张文超教授，E-mail：zwczhang@126.com.

中图分类号：TM402

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)02-0018-05