開關電源模塊的設計

1、電測與儀表( Electrical Measurement & Instrumen ion)1999 年 第 9 期總第 36 卷 第 405 期AC/ DC 開關電源模塊的電路設計河北科技大學(050054)劉勇菊摘要介紹了由 WS157AC/ DC 單片開(3)電路簡單。220V 交流電經整流濾關電源模塊的電路設計。這類模塊可廣泛用于各類數字儀表和智能儀器中。, 可直接作為 WS157 的輸入電壓, 輸出端接高頻變壓器和高頻整流濾波器的輸出電AC/ DC 電源模塊單片開關電源路 ,即可 20W 以下的小功率開關電源。輸入交流電壓范圍很寬 , 當市電從 110260V 大范圍變化時 , 仍能

2、保證穩(wěn)壓輸出。占空比調節(jié)范圍是 3 %47 %。具有完善的保護功能, 包括過流保護、脈寬調制0引言目前國內外新研制的小型化AC/ DC 電源模塊 ,普遍采用微電子技術,把小型表面安裝集過壓保護、輸入欠壓保護 ( V I 70 % ,抗噪聲干擾能力強,能大大減表的可靠性,減小其體積與重量,便ww于w PLCwor小ld c高n 頻變壓器的體積與重量。w安裝和。(7) 使用靈活。在單片開關電源時,配下面介紹單片開關電源 WS157 、WS106的性能特點及工作原理, 然后闡述小功率脈寬調制式 AC/ DC 開關電源模塊的電路設計與性能測試。降壓式、升壓式輸出電路均可。WS157 還可作為大功率開關

3、電源的驅動級。2WS 157 、W S 106 的工作原理WS157 和 WS106 的外形及管腳排列分WS157 的同類產品有產的 TO P221227 。1WS 157 、WS 106 的性能特點er 公司生別如圖 1 中所示。WS157 與 WS106 的電路相同 , 僅封裝形式不同?，F以 WS157 為例 ,介紹其性能特點。 (1) 集成度高。WS157 是一種將脈寬調制() 、 高 壓 場 效 應 功 率 開 關 管器( MOSF ET) 和保護電路集成在一起的三端表面安裝器件, 它真正實現了無工頻變壓器式開關電源的單片集成化。它比 L 4960 、L 4970 系列單片開關式集成穩(wěn)

4、壓器的集成度更高, 并能省去工頻變壓器。(2) 它屬于雙極型晶體管與 MOS 場效應管混合式集成電路 (Bi - MOS) , 只有三個引出端 ,能以最簡方式接入電路。20圖 1WS157 、WS106 管腳排列WS157 、WS106 均屬于表面安裝元件( SMC) , 僅封裝形式和管腳數量不同。WS157實際上只有 3 個管腳(上、下兩個 S 極在連通) ,屬三端器件。其中 ,C ( CON TROL ) 為控制端 , S ( SOU RCE) 是源極 ,D (DRA IN) 為漏極。WS106 為 8 腳雙列式封裝 ( SMD - 8) , 共有6個 S 極 , 剩下的是D 極與 C 極

5、 , 故仍相當于三 1995-2004 Tsinghua TongOp電測與儀表( Electrical Measurement & Instrumen ion)1999 年 第 9 期總第 36 卷 第 405 期( MOSF ET , 其漏 - 源極可承受 700V 電壓) ,保護電路(過流、過熱保護、輸入欠壓保護等) 。此外還有偏置電路 (上電后為各級電壓提供合適的工作點) , 恒流源 , 電子開關 ,復位等輔助電路。VD 可保護功率開關管不被反向尖峰電壓所損壞。端器件。以 WS157 為例 ,其框圖如圖 2 所示。主要包括 100k Hz 振蕩器 , 基準電壓源 ,比較器 ,控制電路,

6、驅動級 ,功率開關管3AC/ DC 開關電源模塊的電路設計AC/ DC 開關電源模塊的電路如圖 3 所示。圖 2WS157 的框圖wwww PLCworld cn圖 3AC/ DC 開關電源模塊的電路其輸出功率為 6W ( + 12V 、015A) 。當輸入交流電壓在 110260V 范圍內波動時, 輸出電電壓V r 上升 ,比較器輸出的脈沖占空比D 上升 , 經過功率場效應管和降壓式輸出電路壓幾乎不變,輸入電壓調整率1 % 。當負載SV使得V 0 上升 ,最終能維持輸出電壓不變。反之電流大幅度變化時 , 負載調整率7 %。= 5 %亦然。為了抑制共模干擾 , 在高頻變壓器線圈N 2 、N 3

7、 的同相端之間 , 還并聯一只 1500p F/S I接通電源后, 220V 交流電首先經過橋式整流和C1 濾波 ,得到約 + 300V 的直流高壓,再通2kV 的高壓陶瓷電容C6 。VD1 VD5選用過高頻變壓器 T 的一次側繞組N 1 ,給 WS157N 2 上輸出1N 4007 (1A/ 1000V) 型硅整流管;VD6 選擇提供所需工作電壓。從二次側繞組1N 4148 型硅高速開關二極管; VD7 須采用 3A/的脈寬調制功率信號, 經 VD7 、C4 、L 0 和 C5 進40V 以上的二極管 , 可選B82 - 004 型, 獲得 + 12V 、015A 的穩(wěn)壓N 3 上的高頻電壓

8、則經過 VD6 、,得到反饋電壓,加至控制端行高頻整流濾輸出。反饋線圈 R2 、C3 整流濾(15A/ 40V) 。C2 宜選 2200p F/ 1kV 高壓陶瓷電容。R1 為 C2 的泄放電阻, 可防止斷電后在 C2上積累電荷, 形成高壓。為降低空載電壓 , 在輸出端并聯一只 560 的負載電阻。高頻變壓器可選國產 E - 7 型鐵氧體磁芯 , 其載面積C 。由V D5 、R 1 和 C2反向峰值電壓的箝位電路 ,能有效抑制D 端的反向尖峰電壓。電路工作原理分析如下: 當由于某種原因= 0149cm2 。繞制順序是先繞N 1 ,再繞 N 2 ,最SJ致使V 0 下降時 , 反饋電壓也隨之降低

9、, 而誤差后繞N 3 , 并需注意線圈極性。所用漆包線的線21 1995-2004 Tsinghua TongOp1999 年 第 9 期電測與儀表( Electrical Measurement & Instrumen ion)總第 36 卷 第 405 期徑與匝數已標在圖 3 中。為防止高頻變壓器發(fā)生磁飽和現象 , 在磁芯端面還應留出 1mm 左右的氣隙。4AC/ DC 精密開關電源模塊的電路設計波動較大時, 就難以滿足精密穩(wěn)壓的要求。為此 , 必須對電路作進一步改進。具體方法是增加外部誤差放大器來提高對 WS157 的控制靈使之對負載電流的變化量I0 反應更靈敏度 ,圖 3 所示開關電源

10、模塊也有之處,即敏 ,調壓更精確。一種 AD/ DC 精密開關電源模塊的電路如圖 4 所示。負載調整率較高,= 5 %7 % 。當負載電流S Iwwww PLCworld cn圖 4AC/ DC 精密開關電源模塊的電路該電源的電壓調整率 011 % , 負載調4N 25 還能起到電氣作用。該模塊的輸出SV功率為 8W ( + 5V 、116A) , 可作為數字儀表的穩(wěn)壓電源。選擇自耦調壓器、數字電壓表、數字萬用表、015 級直流電流表, 并以 1k W 電阻算負載 ,實測精密開關電源模塊的輸入、輸出特性分別見表 1 、表 2 。V I 、II 、PI 均為交流輸入參整率 1 % ,可作為精密開

11、關電源使用。與圖S I3 相比 , 該電路增加了光電耦合器 (4N 25) 和可調式精密并聯穩(wěn)壓器 TL 431 。由TI 公司生產的 TL 431 , 可簡化成一種帶基準電壓源的單運放 ,其正極(陽極) 、負極(陰極) 和 215V 基準電壓端分別用A 、K、VR EF 表示。TL 431 的穩(wěn)壓調節(jié)范圍是 21536V ,由外部電阻分壓器設定。輸出阻抗為 012 ,全范圍電壓溫度系數是數;V 0 、I0 、P0 均為直流輸出參數。RL是負載電阻值 ,為電源效率。另外測出輸出紋波電壓為 10150mV (有效值) 。分析測量數據后出下述結論: 當30 10 - 6 /(即 30pp m/)

12、, 吸收電流能力為1100mA 。TL 431 特別適合反饋式開關電源的外部基準電壓和誤差放大器。R3 為= 100 265V ( RMS) 時 ,恒 等 于V IV 05105V 。這表明實際輸入電壓范圍比規(guī)定值 (110260V) 還要寬一些。輸出穩(wěn)定在 5105V上還表明輸出電壓的變化量V 0 01005V ,因限流電阻 ,R4 和 R5 為取樣電阻。當 V 0 變化215V 基準電壓時 , 取樣電壓就與 TL 431進行比較,使 K 端電位發(fā)生變化,改變 4N 25 中發(fā)射管的工作電流及發(fā)光強度, 再經過光耦去調節(jié) WS157 的控制端電壓 , 這樣即可對占空比進行精細調節(jié) , 實現精

13、密穩(wěn)壓目的。此外 ,22SV(V 0 /V 0 )此電壓調整率= 100 %V I收稿日期:1999 - 06 - 17(周廣義 編發(fā))71 % 。實際最大輸出電流 I= 1164A ( R =OML310) , 最大輸出功率 P= IV = 813W OMOM041 1995-2004 Tsinghua TongOpRL ()3 . 03 . 74 . 75 . 76 . 88 . 010 . 012 . 717 . 019 . 520空載I0 (A)1 . 641 . 381 . 080 . 890 . 750 . 630 . 500 . 400 . 300 . 260 . 240V 0

14、( V)5 . 065 . 065 . 065 . 075 . 075 . 075 . 075 . 075 . 075 . 075 . 075110V I ( V)80100120150180200210220230240250265II ( mA)121 . 0102 . 076 . 158 . 147 . 142 . 140 . 138 . 536 . 434 . 733 . 131 . 2PI ( W)9 . 6810 . 29 . 138 . 728 . 478 . 428 . 428 . 478 . 378 . 338 . 288 . 27V 0 ( V)4 . 655 . 055 . 055 . 055 . 055 . 055 . 055 . 055 . 055 . 055 . 055 .