技術分享：一款自激式開關穩壓電源的設計與實現

引言

開關電源是一種利用開關功率器件并通過功率變換技術而制成的直流穩壓電源。它具有體積小、重量輕、效率高、對電網電壓及頻率的變化適應性強、輸出電壓保持時間長、有利于計算機信息保護等優點，因而廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源。開關電源又被稱為高效能節能電源，內部電路工作在高頻開關狀態，自身消耗的能量很低，一般電源效率可達80%左右，比普通線性穩壓電源提高一倍。目前生產的無工頻變壓器式中，開關電源仍然采用脈沖寬調制器PWM或脈沖頻率調制器PFM的原理。本文根據PWM原理，利用開關管BU508A，結合實例介紹一種無工頻變壓器的反激隔離式的開關穩壓電源的設計。

主要技術參數

輸入電壓：AC220V

輸入頻率：50Hz

輸入電壓范圍：AC165V-265V

輸出電壓：DC24V，2A

輸出功率：48W

工作原理

圖1 開關電源的工作原理圖

開關電源的工作原理如圖1所示，輸入電壓為AC220v，50Hz的交流電，經過濾波，再由整流橋整流后變為直流，通過控制電路中開關管的導通和截止使高頻變壓器的一次測產生低壓高頻電壓，經由小功率高頻變壓器藕合到二次測，再經整流濾波，得到直流電壓輸出。為了使輸出電壓穩定，用了TL431取樣，將誤差經光耦合放大，通過PWM來控制開關管的導通與截止時間(即占空比)，使得輸出電壓保持穩定。

開關電源的設計

開關電源電路圖如圖2所示。在此功率轉換電路中，采用單端反激式變換器，單端是因為其高頻變壓器的磁芯只工作在第一象限。按變壓器的副邊開關整流器二極管的接線方式不同，單端變換器可分為兩種：正激式與反激式。原邊主功率開關管與副邊整流管的開關狀態相反(開關管導通時，副邊的整流二極管截止)稱為單端反激式。當原邊加到高電平激勵脈沖使Q1導通，直流輸入高頻變壓器的原邊兩端，此時因副邊是上負下正，使整流二極管截止;當驅動脈沖為低電平使Q1截止，原邊兩端極性反向，使副邊繞組兩端變為上正下負，則整流二極管被正向導通，此后變壓器副邊的磁能向負載釋放。因此單端反激式變換器只是在原邊Q1導通時儲存能量，當它截止時才向負載釋放，故高頻變壓器在開關過程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲能元件。

圖2 開關電源電路圖

在交流電源的輸入端接入的電磁干擾濾波器，由共模扼流圈L1、C2和C3構成，C2和C3的中點應接地，用來抑制共模干擾。C1用來濾波，濾除串模干擾，電容量較大。鑒于開關管BU508A在關斷的瞬間，高頻變壓器的漏感會產生尖峰電壓，利用C8、R3和D1組成鉗位電路，C9的作用是濾除開關管集電極的尖峰電壓，決定自動重啟動頻率，C9和R4一起對控制回路進行補償，同時C9和R4還起原邊快速復位的作用，能有效的保護開關管不被損壞。

1 開關電源的開關控制部分

開關電源其核心是開關控制部分，主要工作過程是通過圖2中B點和C點電壓的高低來控制主功率開關管 Q1導通和截止的時間(即占空比的大小)。當Q1截止時A點為高電平，C5對Q1放電，使B點電位迅速提高，使開關管Q1基極電位高于發射極，因而Q1飽和導通，并對C5進行充電。而此時的電流為變壓器原邊電流與Q1導通時的電流之和，所以流經R5的電流值很大，C點電位升高，飽和導通使A點電位下降，Q1也就截止。

D2和D3作用是在Q1導通時，使C點電位不致很高，否則C5的放電時間過長，使Q1關斷時間toff過大，而 Q1導通時間ton保持不變，這樣頻率變低。若Q1導通時C點提升太高時，才將Q1變為截止，此時D2和D3正向導通，C點的電位降低，使得C5放電時間很短就能將使Vb>Vc，使toff也很小，因而可以使頻率達到很高。

2 PWM調節部分

Q1導通時，繞組N2上正下負，C10吸收剛放電時的尖峰電壓，防止二極管D10正向導通損壞，D10正向導通，使B點電位升高，從而使Q1更快飽和導通。同時Q2導通，再使 Q3也導通，B點電壓下降，原邊線圈電流減小至截止。這時N2邊為下正上負，D4和D5導通，Q4基極變為高電位，Q4導通，C點電位降低，截止時間變短，而TL431反饋電流使流入Q4基極的電流就會減小，C點電位就下降得慢，截止時間變長。Q1導通時，TL431反饋電流決定C點電位升高的快慢來達到穩壓的目的。C12是用來保護Q3，在截止時反向峰值電壓過高，而損壞Q3。反饋控制就是將取樣電壓與基準電壓比較，轉化為電流，再經電流放大來調節 ton與toff來控制占空比從而達到穩壓的目的。

R12是輸出電壓的最小負載，防止負載空載時電壓太高，用于提高輕載時的電壓調整率。C17可適當的降低誤差放大器的高頻增益。TL431的基準電壓與輸出電壓Vo比較，在R14形成誤差電壓，從而使IC1的二極管產生不同的電流。R14是IC1二極管的限流電阻。誤差放大的頻率應由R13、R16、VR和C17決定。由C14和R10構成的RC吸收網絡，能消除高頻自激振蕩， 減小射頻干擾。

3 高頻變換器部分

由于高頻變壓器原邊在單位時間里提供的功率與ton的平方和頻率成正比、與輸入原邊直流電壓的平方成正比，與原邊繞組匝數成反比，若不考慮變壓器的消耗，由能量守恒可得變壓器副邊功率，即輸出的功率與變壓器副邊匝數，以及負載無關，只由原邊提供的功率決定。因此要得到不同的輸出功率，就只有靠改變高頻變壓器原邊的功率。改變ton對輸出功率的影響最大，但受到磁通復位條件的限制不宜較大的改變，要改變輸入原邊的直流電壓，只能改變前面電路的濾波電感與濾波電容等參數，還可以在前面加入一個電位器，也能改變直流電壓，而頻率要受到功率開關管本身條件的限制。所以改變原邊繞組匝數是一個比較好的方法，原邊線圈繞組寬度不要太長，而將其分為多層，每一層的接入都用一個開關控制，需要不同的繞組匝數接入不同的開關就能很好的控制原邊上的功率，從而得到不同的輸出功率。但是，toff時間內要使高頻變壓器的原邊磁通復位，在ton時間內要使其副邊磁通復位，如果在開關工作周期結束時，磁通沒有回到周期開始的起點，則變壓器磁芯內的磁通就會逐漸增加，導致磁芯飽和而損壞功率開關管。要滿足單端變換器的磁通復位條件，就要使Ton與Toff的時間適當，不能太長，否則使開關管的頻率變低，同時與高頻變壓器原邊與副邊繞組的匝數有關。

4 TL431

TL431是三端可調穩壓器，利用兩只外部電阻可設定2。50—36V范圍內的任何基準電壓值。TL431的電壓溫度系數很小。動態阻抗低，典型值為0。2歐，輸出噪聲低，具有適合汽車工業等溫度范圍內所規定的熱穩定性，有效輸出電路具有很陡的導通特性，從而使得這些器件在諸如板上穩壓，可調電源和開關電源的應用中，可以很好的替代齊納二極管。

結論

根據上述原理，進行了設計并制造了樣機，調試后性能穩定。該電路的特點是占空比與輸入電壓成正比 (頻率成反比)，不受負載影響，因而容易大范圍控制。由于開關管的頻率受限，能達到50KHz-100KHz左右，電源效率稍微比集成開關管低。為了提高此電路的電源效率最好使用頻率較高的開關管，頻率越高節能效果就最佳。