TF-1型开关电源研究

摘要:本文叙述了TF-1型开关电源的设计思想;有关电路工作特点和设计过程;并对开关电源的发展前途作了必要的阐述。

关键词:TF-1开关电源 稳压 滤波 逆变

随着电子产业的飞速发展,电子电讯设备对滞留稳压电源的要求越来越高,传统的使用工频变压器的线性调节稳压电源由于体积大、效率低、抗干扰能力差,正逐步被淘汰。取而代之的是开关型直流稳压电源。开关型稳压电源是一种高性能的直流稳压电源。由于其功率调整工作在高频开关状态,使得整机的效率高、抗干扰能力强。随着大规模集成电路的快速发展,开关电源体积越来越小、价格越来越低,因此,用开关稳压电源是大势所趋。

1 设计思想

开关电源的基本原理是,电网电压整流、滤波后,转换成直流电输入高频变换电路。高频变换电路则把输入的直流电转变为高频脉冲电压,该脉冲电压经整流、滤波后变为所需的直流电压。通过改变脉冲电压的宽度,来稳定输出电压。

在进行了广泛的市场调研和查阅了大量资料的基础上,结合一些企业的实际情况,形成了研制这种高性能开关电源的总体思路:

1.1 由于开关电源工作在高频开关状态,具有极强的抗干扰能力。为了防止开关电源本身对电网产生射频干扰(RFI),应在开关电源的输入电路中加入LC滤波器。整个开关电源的外壳要采用铝合金罩,进行电磁屏蔽,以便有效地抑制开关电源对外产生的辐射干扰。

1.2 高频变换电路采用它激式工作方式。在它激式工作方式中,高频脉冲电压为脉冲方波,整流、滤波以后的纹波电压很小。

1.3 采用必要的保护措施。为了防止由于负载发生故障而开关电源,因此,应设计过载、短路保护,提高整机的工作可靠性。

2 实施方案及具体设计过程

根据以上构思,我们设计出了TF-1型开关稳压电源。其工作原理框图如图1所示。

TF-1型开关电源的工作过程为:电网电压经工频变压器隔离和降压后,由开关电源的交流输入端输入,经射频干扰(RFI)滤波器滤波后输入整流滤波电路,变为含有一定脉动电压的直流电压,然后进入高频逆变电路。高频逆变电路的核心是由开关晶体管组成的推挽式高频开关电路,该电路将输入直流电压转换成30KHZ的高频脉冲电压的高频隔离变压器的初级,在变压器的次级感应出的高频电压经整流、滤波后就产生所需的直流电压。

控制电路稳定输出电压的原理为:当开关电源的负载加大或输入电网电压升高而引起输出电压轻微上升时,控制电路就能使高频逆变电路输出脉冲方波的宽度变窄,从而使开关电源的输出电压下降,起到稳定输出电压的作用;反之,当负载减小或电网电压下降引起输出电压下降时,控制电路使高频逆变电路输出脉冲方波的宽度变宽,同样能达到稳定输出电压的目的。

下面根据设计的电路图叙述各个部分的工作特点和设计过程。

2.1 低频隔离变压器 在一般的开关稳压电源中,输入回路不使用低频隔离变压器。我们在TF-1型开关电源前面加隔离变压器,主要是考虑到以下两点:一是将开关电源的输入与电网电压隔离开来,进一步抑制电源的噪声干扰;二是隔离变压器在这里起降压作用,它将220V电网电压降至41V,提供给开关电源交流输入端。这样一来,就大大降低了高频逆变电路中高频开关管所承受的反向耐压,有利于整机可靠工作。

2.2 射频干扰(RFI)抑制电路 由高频滤波电感T1和电容C1、C2组成共模抑制电路如图2所示,该电路既可能滤除电网电压对开关电源产生的噪声干扰,又可抑制开关电源本身对电网产生的高频辐射,防止电网污染。

2.3 整流滤波电路 整流滤波电路采用桥式整流方式。由于在前面增加了降压变压器,故整流二极管的耐压值要求不高。我们选用了400V/5A的整流桥KBL04,能满足使用要求。

2.4 辅助电路 辅助电路的作用是,给控制电路和高频逆变电路提供U0=+12V的稳定工作电压。他是由三端电压可调集成稳压器LM317及其外围电路组成,其主要电路图3所示。

2.5 控制电路 控制电路是整个开关电源工作的核心。其作用是产生可变的高频脉冲方波,提供给高频逆变电路。

早期的控制电路采用分立元件设计。为了提高整机的可靠性,我们在TF-1型开关电源中采用了新型的脉宽调制集成块CW494。

2.6 驱动电路 驱动电路是直接为功率开关管提供激励信号的电路。其作用是将脉宽调制器输出的两路交替脉冲加以放大,以满足功率开关管激励电压与激励电流的要求。

在设计驱动电路时,主要考虑一下两点:一是功率开关管要进入饱和导通,其基极应有一定的正向驱动电流;二是功率开关管要快速截止,其基极要有足够的反向驱动电流,以迅速消除集体管基区储存的电荷,加快关断速度。

根据以上思路,我们设计了带激励变压器的驱动电路。

2.7 高频变换电路 高频变换电路时整个开关电源工作的中心。其作用是将整流、滤波后的脉动直流电压,逆变为高频脉动方波,经高频变压器变换输出,最后由输出电路整流、滤波后得到所需的直流电压。

在设计中,我们采取了推挽式高频变换电路。其优点是,在一个工作周期里,高频开关变压器铁芯的B-H磁化曲线工作在一、三象限,没有直流磁化现象,铁芯利用高,具体的电路如图5。

2.8 输出电路 输出电路的作用是对高频开关变压器次级的高频方波思安呀进行整流、滤波,获得所需的直流电压。

根据技术指标要求,需输出三路直流电压,由于+5V一路输出公路最大,因而取样电路设置在这一路,对输出电压进行检测和取样,通过脉宽调制达到稳定输出电压的目的。

另外两路输出电路,要求输出12V的直流电压,由于这两路无取样检测电路,因此,高频方波电压经整流、滤波后,要由稳压块LM7812稳压后获得所需的直流电压。+5V输出电路图如图6。

2.9 取样电路 取样电路的作用是,对输出直流电压的变化量进行检测,并将检测到的误差信号反馈到脉宽调制电路中,控制高频脉冲方波的占空比,从而达到稳定输出电压的目的。

2.10 过流、短路保护电路 当出现过流或负载短路故障时,必须对开关电源进行保护,使开关电源不被永久地损坏。因此,我们在电源的输入侧设计了过流、短路保护电路。

3 发展趋势

随着半导体技术的飞速发展,特别是近几年来高反压MOS大功率管的大量问世,开关型直流稳压电源的频率可以做得更高,其结果是整个开关电源的体积更小、重量更轻、效率更高。因此,在开关电源的研制中,采用更高频率来设计开关电源,并解决由此带来的一系列问题,是未来开关电源的发展方向。

参考文献:

[1](日)长谷川彰著,何希才译.开关稳压电源的设计与应用/图解实用电子技术丛书.科学出版社2006.

[2]孙余凯,吴鸣山,项绮明.稳压电源设计与技能实训教程(职业技术技能型人才培养教材),电子工业出版社,2009.