一款实用型开关电源的设计

张玉梅

（广东职业技术学院，广东 佛山 528041）

1 研究背景

随着社会的发展，人们的生活水平日益提高。许多家电产品需要用到电源，在我国南方地区，气候比较潮湿，所以很多南方家庭在春季时需要用到抽湿机，同时抽湿机需要配备相应的电源。笔者针对抽湿机对电源的实际要求，开发出一款实用型小功率的开关电源。此款开关电源的主要特点，首先从外观上看，重量较轻、体积较小；其次从开关电源工作原理上看，效率较高、耗能较小[1]，所采用的功率晶体管无论是在闭合还是在断开的状态，转化效率都非常之高，这款电源的效率达到了80%以上，而线性电源状态之下效率仅为30%~40%[2]。电压加到开关变压器初级上，开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载，输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的[3]。

系统结构图如图1所示：220 V交流市电经过整流滤波得到直流电压，再经开关电源芯片脉宽调制和高频变压器DC-AC变换得到高频矩形波电压，最后经输出整流滤波得到品质优良的直流电压[4]；同时反馈回路通过对输出电压的采样、比较和放大处理，将得到的电流信号输入到开关电源芯片的控制端，控制占空比，调节输出，使输出电压稳定。

图1 系统结构图

2 系统设计

结合控制要求和使用场景，系统设计方案如下。

电路组成结构：由EMI整流滤波电路、高频变换电路、反激振荡电路、输出整流滤波电路、输出检测稳压电路五大部分构成。电源220 V交流电经过滤波后，经共模电感和整流桥整流后，通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将整流后得到的直流

开关电源的电路整体设计如下。专为抽湿器设计的电源的各项参数如下：交流输入电压的范围为100 V~240 V，即最小值100 V，最大值240 V；输出为直流电源+24 V，电流为0.5 A，输出功率为12 W。电网频率为50 Hz，开关频率为100 kHz，纹波电压小于240 mV；功率因数PF值大于0.45，输入功率小于15 W。

2.1 EMI整流滤波电路

整流滤波电路如图2所示，输入电路经火线由熔断器F1、压敏电阻VR1和电容CX1等元件组成，压敏电阻可以对输入端进行过电压保护[5]。电容CX1这里根据经验选择0.22 μF的电容，它主要起滤波的作用，可以对来自电网的干扰进行滤除；LF1为共模电感，专门用于消除共模干扰，它的取值为50 mH。

图2 整流滤波电路图

输入整流电路即将交流变成直流的电路，在这里选用型号为ABS06全波整流桥，ABS06整流桥的额定电流为1 A，反向击穿电压可达到600 V，完全可以满足参数要求。

2.2 高频变换电路

高频变换电路如图3所示，它的功能主要由变压器来实现。当功率开关进行高频关断时，它的内部电感会阻止它突变，因此，在高频变压器的初级绕组上会产生相应的高电压，又叫尖峰电压以及反射电压[6]，这些电压值比较大，TOPSwitch芯片的漏极承受不了这样的高电压，功率开关MOSFET芯片易烧坏。因此，要设计一个RCD钳位保护电路来保护MOSFET芯片，在图3中看到由R6、C1和D2组成RCD电路。这个电路可吸收一部分尖峰电压[7]，从而减少漏极电压，不让它超过200 V，这样就不会损坏芯片。这里电阻R6取值为47 Ω。二极管D2选用RS1M，主要起到钳位阻断的作用，它的PN结电流不超过1 A，最大的反向耐压为1 000 V。C1选取参数为2.2 nF/1 000 V用作钳位电容。

反激式变压器又称Buck-Boost转换器，因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量，所以得名。变压器的作用：变比不同，达到电压升、降的目的；电气隔离；大功率整流副边相移不同，有利纹波系数减小；磁耦合传送能量；测量电压、电流。图3中绕组符号标有圆点符号的一端，表示变压器各绕组的同名端，也就是该绕组的始端[8]。

图3 高频变换电路图

这里变压器选用EF20变压器，它的工作频率范围为20 kHZ~500 kHZ，输出功率为8 W~25 W，可以满足要求。变压器输出端由C4、R12和D1组成吸收网络，D1在这里起整流作用，选用的是高效整流二极管HER303，最大峰值反向电压和最大直流阻断电压为200 V。

2.3 反激振荡电路

反激振荡电路如图4所示，由开关电源变压器和开关管组成了一个自激式的间歇振荡器。这里选用OB2338芯片和EF20变压器配合组成振荡电路，OB2338结合了专用的电流模式具有高压电源的PWM控制器MOSFET[9]。针对高性能，优化了低功耗。待机功率和经济有效的离线反激，用于低于27 W的转换器应用。OB2338采用DIP8封装，由于内部集成了开关管，所以节省了一部分空间。芯片在宽电压输入范围时，能输出16 W的功率。变压器辅助绕组3、D3和EC2给U1提供工作电压，整流滤波电压通过R1和R2给U1提供启动电压。

图4 反激振荡电路图

2.4 稳压反馈电路

稳压反馈电路如图5所示，在这里电源反馈隔离电路由光耦U2和稳压器U3组成，光电耦合器选用PC817，并联稳压器选用TL431。这是一个经验电路，主要作用是通过输出电压的反馈来稳定输出电压。工作原理是输出电压经过电阻R16及R17分压后得到一个取样电压，与TL431稳压基准电压2.5 V来比较，比较的结果加在U3（TL431）的阴极上，会影响到光耦U2（PC817）中LED的工作电流，从而会改变芯片FB控制端的电流大小，进而就可以调节输出占空比，稳定输出电压，真正达到稳压的目的[10]。

图5 稳压反馈电路图

反馈回路中电阻R14是给光耦作限流电阻用的，限流后可提供合适的工作电流，从而对稳压器U3（TL431）进行保护。

2.5 输出滤波电路

输出滤波电路如图6所示，L1和EC4起平滑电流的作用，LF2是磁环，它是电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的抑制作用。

图6 输出滤波电路图

3 电路板的制作

设计好电路后，选择好相应的元器件，列好元器件清单后，要设计电路印刷板。在设计电路板时要注意，设计方法决定了电磁干扰和电源稳定，由于开关电源涉及高频工作的问题，所以它的PCB Layout设计非常重要，若设计不合理则会影响到开关电源的安全性，导致不能正常工作等问题。因此，在设计开关电源的PCB Layout时，要考虑得更全面和周到。首先从原理图到PCB的设计流程，必要时采用手工布局和手工布线，并且验证设计，然后再进行电路板的设计和制作。

3.1 电路设计

首先要保证电路原理图设计正确，再合理设计印制电路板，否则会降低电子设备的可靠性。因此，在进行布局电路设计时要遵循以下原则。

主回路与次级电路一定要分开布置。这些回路要自成一体，包围的面积要小，可减少对其他回路的影响和干扰。控制集成芯片和它周边的组件，如相关的电阻电容要近，这些组件应以芯片为中心，在其周边进行近距离布置。变压器的两侧的地之间最好接一个电容，可以起到快速放电的作用，这里用CY1和CY2。交流回路应远离PFC、PWM回路，以减少来自后者的干扰。

3.2 制作

根据PCB原理图制作好PCB线路板图，如图7所示，下一步要根据图上标注的元件名称和序号，焊接元器件。布置元件时，要注意有极性的元件不能放错方向，为防止出错可以用万用表来进行检查，另外还要检测输入和输出电路之间有没有短路。

图7 线路板图

4 系统测试和分析

制作完成后，要对产品进行调试。调试电路就是保证电路中每一部分是正常工作的，然后才能在输入端上电去测试。测试时从电压范围、老化和综合测试等几个方面去测，测试图如图8所示。

图8 测试图

检验条件：输入电压100 VAC~240 VAC；负载：48 Ω，20 W。

4.1 综合测试：100 VAC和220 VAC

1）将待测板放在专用测试架上，进行耐压测试。输入对输出：3 750 VAC/5 mA/3 s未出现报警、超漏现象。

2）将待测板放在专用测试架上，合上电源开关，空载电压是否为24 VDC~25 VDC。

3）合上负载开关，输出电压23.5 V~24.5 V，电流500 mA，PF值>0.45，输入功率﹤15 W。

4）观察纹波电压是≤240 mVp-p，过流点是在0.7 A~1.6 A之间。

5）断开负载开关，观察其输入功率是否≤0.1 W。

4.2 通断测试

产品校验（通断）数据统计表，如表1所示。

表1 产品校验（通断）数据统计表

5 结语

从测试结果来看，这款电源能很好地完成恒压和恒流功能。从测试数据来看，本系统的控制精度和可靠性都很高。除满足基本的电源要求外，还符合六级能效要求，另外具有过载保护功能、输出短路保护功能。产品初级与次级为隔离式，安全可靠，符合GS认证要求，完全能满足抽湿机对电源的各项指标要求。