多路輸出開關電源的設計和應用教材

1、多路輸出開關電源的設計及應用原則1引言對現(xiàn)代電子系統(tǒng)，即便是最簡單的由單片機和單一I/O接口電路所組成的電子系統(tǒng)來講，其電源電壓一般也要由+ 5V 15V或土 12V等多路組成，而對較復雜的電子系統(tǒng)來講，實際用到的電源電壓就更多了。 目前主要由下述諸多電壓組合而成：+3.3V，+ 5V,土 15V, 12V,-5V,土 9V,+ 18V，+ 24V、+ 27V、60V + 135V、+ 300V、 200V、+ 600V、+ 1800V、+ 3000V、+ 5000V （包括一個系統(tǒng)中需求多個上述 相同電壓供電電源）等。不同的電子系統(tǒng)，不僅對上述各種電壓組合有嚴格的要求，而且對這些電源電壓 的

2、諸多電特性也有較嚴格的要求，如電壓精度，電壓的負載能力（輸岀電流），電壓的紋波和噪聲，起動 延遲，上升時間，恢復時間，電壓過沖，斷電延遲時間，跨步負載響應，跨步線性響應，交叉調整率，交 叉干擾等。2多路輸岀電源對于電源應用者來講，一般都希望其所選擇的電源產品為“傻瓜型”的，即所選擇的電源電壓只要負 載不超過電源最大值，無論系統(tǒng)的各路負載特性如何變化，而各路電源電壓依然精確無誤。僅就這一點來 講，目前絕大多數(shù)的多路輸出電源是不盡人意的。為了更進一步說明多路輸出電源的特性，首先從圖1所示多路輸岀開關電源框圖講起。從圖1可以看到，真正形成閉環(huán)控制的只有主電路Vp,其它Vauxl、Vaux2等輔電路都

3、處在失控之中。從控制理論可知，只有 Vp無論輸入、輸岀如何變動（包括電壓變動，負載變動等），在閉環(huán)的反饋控制作 用下都能保證相當高的精度（一般優(yōu)于0.5 %）,也就是說Vp在很大程度上只取決于基準電壓和采樣比例。 對Vaux1, Vaux2而言，其精度主要依賴以下幾個方面：1 ） T1主變器的匝比，這里主要取決于Np1: Np2或Np1: Np32 ）輔助電路的負載情況。3 ）主電路的負載情況。注：如果以上3點設定后，輸入電壓的變動對輔電路的影響已經(jīng)很有限了I1 ibulL-IT：躍采樣-反慣比較9圖1多路輸出開關電源框圖刪I圖3輔助電路加一個線性穩(wěn)壓調節(jié)器在以上3點中，作為一個具體的開關電源

4、變換器，主變壓器匝比已經(jīng)設定，所以影響輔助電路輸岀電 壓精度最大的因素為主電路和輔電路的負載情況。在開關電源產品中，有專門的技術指標說明和規(guī)范電源 的這一特性，即就是交叉負載調整率。為了更好地講述這一問題，先將交叉負載調整率的測量和計算方法 講述如下。2 1電源變換器多路輸岀交叉負載調整率測量與計算步驟1 ）測試儀表及設備連接如圖 2所示。2 ）調節(jié)被測電源變換器的輸入電壓為標稱值，合上開關S1、S2n,調節(jié)被測電源變換器各路輸出電流為額定值，測量第j路的輸岀電壓Uj，用同樣的方法測量其它各路輸岀電壓。3 ）調節(jié)第j路以外的各路輸岀負載電流為最小值，測量第 j路的輸岀電壓ULj。4 ）按式（1

5、）計算第j路的交叉負載調整率 SIL oSIL 匕=X100%（ 1）式中： Uj為當其它各路負載電流為最小值時，Uj與該路輸岀電壓 ULj之差的絕對值；Uj為各路輸岀電流為額定值時，第j路的輸岀電壓。根據(jù)上面的測試及計算方法可以將交叉負載調整率理解為：所有其它輸岀電路負載跨步變（100%- 0%時）對該路輸岀電壓精度影響的百分比。2 2多路輸出開關電源由圖1原理所構成的實際開關電源，主控電路僅反饋主輸岀電壓，其它輔助電路完全放開。此時假設主、輔電路的功率比為1:1 o從實際測量得主電路交叉負載調整率優(yōu)于0.2 %，而輔電路的交叉負載調整率大于50%。無論開關電源設計者還是應用者對大于50%的

6、交叉負載調整率都將是不能接受的。如何降低輔電路交叉負載調整率，最直接的想法就是給輔助電路加一個線性穩(wěn)壓調節(jié)器（包括三端穩(wěn)壓器，低壓差 三端穩(wěn)壓器）如圖3所示。從圖3可知，由于引入了線性穩(wěn)壓調節(jié)器V,所以在輔路上附加了一部分功率損耗，功率損耗為P=（Vaux Vaux1）laux，而要使輔電路的交叉負載調整率小，就必須有意識地增大線性調整器的電壓差（Vaux- Vaux1），即就是要有意識增大 Vaux，其帶來的缺點就是增加了電源的功率損耗，降低了電源的效 率。以圖1及圖3原理為基礎設計和應用電源時，應注意的原則為：30%;1 ）主電路實際使用的電流最小應為最大滿輸岀電流的2 ）主電路電壓精度應

7、優(yōu)于 0.5 %;3 ）輔電路功率最好小于主電路功率的50%;4 ）輔電路交叉負載調整率不大于10%。23改進型多路輸岀開關電源在很多應用場合中，要求 2路輸出的功率基本相當，比如土 m .7, 土 15V/1A。我們通過多年的 實踐，設計了如圖4所示的電路，能較好地達到提高交叉負載調整率的目的。圖4電路設計思想的核心有以下 2點。1 ）將正負2路輸出濾波電感L1、L2繞制在同一磁芯上，采用雙線并繞的方法，從而保證L1、L2電感量完全相同。并注意實際接入線路時的相位（差模方法）關系，這種濾波電感的連接方法使2路輸岀電流的變化量相互感應，在一定程度上較大地改善了2路輸岀的交叉負載調整率。2 ）從

8、圖4可以看到，采樣比較器 Rs1、Rs2不像圖1那樣接到主電路 Vp上，而是直接跨接到正負電 源的輸岀端上，并且邏輯“地”不是電源的輸岀地，而是以負電壓輸岀端作為采樣比較和基準電壓的邏輯地”電位。這樣采樣誤差將同時反映出正、負 2路輸出的電壓精度變化，對正、負 2路同樣都存在有反 饋作用，能在很大程度上改進 2路輸出的交叉負載調整率。以土 15V/1A電源為例，采用圖4的電路設計， 實測得的2路交叉負載調整率優(yōu)于 2%。le鋁IPT電;圖2測試儀表及設備連接nHY|1de；吃zb.輔皓17：*丄丨:.“、”! *PWN-t采樣控制反饋比較圖4改進型2路輸岀電路_d?= x = *SNYC!4J

9、r 2雯詁*W.比較7亠空HOB圖53路電源設計方案以圖4原理為基礎設計和應用電源時，應注意的原則為:1) 2路最好為對稱輸岀(功率對稱，電壓對稱)，無明顯的主、輔電路之分，比如我們常用到的12V, 土 15V等都屬于此類；2) 2路輸岀電壓精度要求都不是太高，1%左右;3) 2路輸岀交叉調整率要求相對較高，2%左右。下面介紹一種通用性極強的 3路電源設計方案，如圖 5所示。從圖5可以看到，主+ 5V輸出與輔路土 Vout（可以是土 15V或土 12V）輸出電路不但反饋相互獨立，而且其PW（脈寬調制器），功率變換和變壓器都是相互獨立的?？梢詫⒋?路電源看成是由相互獨立的 1個+ 5V電源和1個

10、土 Vout電源共同組合而成。為了進一步減少二者之間的相互干擾和降低各自輸出電壓紋 波的峰-峰值，應當進一步減小各獨立電源的輸入反射紋波（一般紋波峰-峰值應小于50mV紋波有效值應小于10mV和采用同步工作方式。2 !高頻磁放大器穩(wěn)壓器在多路輸岀電源中，輸岀電路經(jīng)常采用高頻磁放大穩(wěn)壓器，它以低成本、高效率、高穩(wěn)壓精度和高可 靠性，而在多路輸岀的穩(wěn)壓電源中得到了廣泛應用。磁放大器能使開關電源得到精確的控制，從而提高了其穩(wěn)定性。磁放大器磁芯可以用坡莫合金，鐵氧體或非晶，納米晶（又稱超微晶）材料制作。非晶、納米晶軟磁材料因具有高磁導率，高矩形比和理想的 高溫穩(wěn)定性，將其應用于磁放大器中，能提供無與倫

11、比的輸岀調節(jié)精確性，并能取得更高的工作效率，因 而倍受青睞。非晶、納米晶磁芯除上述特點外還具備以下優(yōu)點：1）飽和磁導率低；2 ）矯頑力低；3 ）復原電流??；4 ）磁芯損耗少；磁放大輸岀穩(wěn)壓器沒有采用晶閘管或半導體功率開關管等調壓器件，而是在整流管輸岀端串聯(lián)了一個可飽和扼流圈（如圖6所示），所以它的損耗小。由圖6可知，磁放大穩(wěn)壓器的關鍵是可控飽和電感Lsr和復位電路?？煽仫柡碗姼惺怯删哂芯匦蜫H回線的磁芯及其上的繞組組成，該繞組兼起工作繞組和控制繞組的作用。復位（RESET是指磁通到達飽和后的去磁過程，使磁通或磁密回到起始的工作點，稱為磁通復位。由于磁放大穩(wěn)壓器所用的磁芯材料的特點（良好的矩形匕

12、回線及高的磁導率），使得磁芯未飽和時的可控飽和電感對輸入脈沖呈現(xiàn)高阻抗,相當于開路，磁芯飽和時可控飽和電感的阻抗接近于0，相當于短路目前開關電源工作頻率已提到幾百kHz以上，磁放大器在開關電源中的廣泛應用對軟磁材料提岀了更高的要求。在如此高的頻率下，坡莫合金由于電阻率太低（約60 g Q cm導致渦流損耗太大，造成溫升高，效率降低，采用超薄帶和極薄帶雖能有所改善，但成本將大幅度上升；鐵氧體具有很高的電阻率（大 于105 g Q cm，但其Bs過低，居里點也太低。由于工作環(huán)境惡劣，對材料的應力敏感性、熱穩(wěn)定性等 都有嚴格要求，上述材料是很難滿足要求的。圖6磁放大輸出穩(wěn)壓電路圖7輔路帶磁放大器的典

13、型應用電路圖8完全利用磁放大器的穩(wěn)壓電路非晶合金的岀現(xiàn)大大豐富了軟磁材料。其中的鉆基非晶合金具有中等的飽和磁感應強度，超微合金具 有較高的飽和磁感應強度，它們都具有極低的飽和磁致伸縮系數(shù)和磁晶各向異性。鉆基非晶和超微晶在保 持高方形比的同時可以具有很低的高頻損耗，用于高頻磁放大器中，可大大提高電源效率，大幅度減小重 量、體積，是理想的高頻磁放大器鐵芯材料。3高頻磁放大輸岀穩(wěn)壓器典型應用電路圖7所示的多路輸岀電源，其主路為閉環(huán)反饋PWM控制方式，輔路為磁放大式穩(wěn)壓電源。由于輔路磁放大輸入電壓波形受控于變壓器主、輔繞組比，以及主路的工作狀態(tài)（主路輸岀電壓的高低和主路負載的高低等），所以輔路的交叉負

14、載調整率仍然不能夠達到理想的狀態(tài)。圖8所示是一種完全利用磁放大器穩(wěn)壓技術設計的多路輸岀穩(wěn)壓電源。此電源前級為雙變壓器自激功率變換電路，后級多路輸岀均為磁放大器穩(wěn)壓電路。并且各路之間無關，前后級之間無反饋，無脈寬調制器（PWM。此電路的優(yōu)點如下：1）電路結構簡單，使用元器件數(shù)量少，除了兩只功率管以外，其它元器件均是永久性或半永久性的，可靠性極高，制作也很方便；2 ）電路中沒有隔離反饋放大器，因此調整極其容易，而且一旦調整好后就無須維護，前級變換功率 取決于后級總輸岀功率；3 ）各路的輸岀特性相互獨立，獨自調整穩(wěn)壓，無主、輔路之分，所以，各輸岀電路的負載調整率的交叉負載調整率都非常理想，小于I 5%；4 ）磁放大器在功率開通瞬間，處于“開路”狀態(tài)，功率管在此刻的導通電流趨近于零，因而，損耗減到了最低限度，這有利于變換器的高頻化和高效率；5 ）由于前級功率變換器為不調寬的純正方波，以及后級接了磁放大器，這樣可以大幅度地降低輸岀紋波的峰一峰值，普通 PWR型電源的輸岀紋波大約為輸岀電壓標稱值的1 %左右，而采取帶磁放大器的整流電路，紋波的峰峰值可比較容易地降低到0.1 %左右。上述磁放大型穩(wěn)壓電源的綜合電特性都是其它PWM隔離負反饋多路電源所無法比似的。尤其對多路電源實際應用來講，可以對電源內部特性和電子系統(tǒng)的負載特性不