恒壓/恒流輸出式單片開關電源的設計原理

摘要：單片開關電源是國際上90年代才開始流行的新型開關電源芯片，本文闡述恒壓/恒流輸出式的設計原理。

關鍵詞：單片開關設計原理恒壓/恒流輸出

The Design Principle of Single chip Switching Power Supply with Constant Voltage or Constant Current

Abstract:Three ends single chip switching power supply is new type swichting power core which has been popular since 1990. This paper introduces the design principle of single chip switching power supply with constant voltage or constant current.

Keywords:Single chip switching, Design principle, Constant voltage or constant current

恒壓/恒流輸出式單片開關電源可簡稱為恒壓/恒流源。其特點是具有兩個控制環路，一個是電壓控制環，另一個為電流控制環。當輸出電流較小時，電壓控制環起作用，具有穩壓特性，它相當于恒壓源；當輸出電流接近或達到額定值時，通過電流控制環使IO維持恒定，它又變成恒流源。這種電源特別適用于電池充電器和特種電機驅動器。下面介紹一種低成本恒壓/恒流輸出式開關電源，其電流控制環是由晶體管構成的，電路簡單，成本低，易于制作。

1恒壓/恒流輸出式開關電源的工作原理

　　75V、1A恒壓/恒流輸出式開關電源的電路如圖1所示。它采用一片TOP200Y型開關電源(IC1)，配PC817A型線性光耦合器(IC2)。85V～256V交流輸入電壓u經過EMI濾波器L2、C6)、整流橋(BR)和輸入濾波電容(C1)，得到大約為82V～375V的直流高壓UI，再通過初級繞組接TOP200Y的漏極。由VDZ1和VD1構成的漏極箝位保護電路，將高頻變壓器漏感形成的尖峰電壓限定在安全范圍之內。VDZ1采用BZY97C200型瞬態電壓抑制器，其箝位電壓UB=200V。VD1選用UF4005型超快恢復二極管。次級電壓經過VD2、C2整流濾波后，再通過L1、C3濾波，獲得＋75V輸出。VD2采用3A/70V的肖特基二極管。反饋繞組的輸出電壓經過VD3、C4整流濾波后，得到反饋電壓UFB=26V，給光敏三極管提供偏壓。C5為旁路電容，兼作頻率補償電容并決定自動重啟頻率。R2為反饋繞組的假負載，空載時能限制反饋電壓UFB不致升高。

圖175V、1A恒壓/恒流輸出式開關電源的電路

該電源有兩個控制環路。電壓控制環是由1N5234B型62V穩壓管(VDZ2)和光耦合器PC817A(IC2)構成的。其作用是當輸出電流較小時令開關電源工作在恒壓輸出模式，此時VDZ2上有電流通過，輸出電壓由VDZ2的穩壓值(UZ2)和光耦中LED的正向壓降(UF)所確定。電流控制環則由晶體管VT1和VT2、電流檢測電阻R3、光耦IC2、電阻R4～R7、電容C8構成。其中，R3專用于檢測輸出電流值。VT1采用2N4401型NPN硅管，國產代用型號為3DK4C；VT2則選2N4403型PNP硅管，可用國產3DK9C代換。R6、R5分別用于設定VT1、VT2的集電極電流值IC1、IC2。R5還決定電流控制環的直流增益。C8為頻率補償電容，防止環路產生自激振蕩。在剛通電或自動重新啟動時，瞬態峰值電壓可使VT1導通，利用R7對其發射結電流進行限制；R4的作用是將VT1的導通電流經VT2旁路掉，使之不通過R1。電流控制環的啟動過程如下：隨著IO的增大，當IO接近于1A時，UR3↑→VT1導通→UR6↑→VT2導通，由VT2的集電極給光耦提供電流，迫使UO↓。由UO降低，VDZ2不能被反向擊穿，其上也不再有電流通過，因此電壓控制環開路，開關電源就自動轉入恒流模式。C7為安全電容，能濾除由初、次級耦合電容產生的共模干擾。

圖2恒壓/恒流源的輸出特性

　　該電源既可工作在75V穩壓輸出狀態，又能在1A的受控電流下工作。當環境溫度范圍是0℃～50℃時，恒流輸出的準確度約為±8％。

　　該電源的輸出電壓－輸出電流(U0－I0)特性如圖2所示。由圖可見，它具有以下顯著特點：

　　（1）當u=85VAC或265VAC時，特性曲線變化很小，這表明輸出特性基本不受交流輸入電壓變化的影響；

圖3電壓及電流控制環的單元電路

　　（2）當IO0 90A時 處 于 恒 壓 區 ， IO≈ 0 98A時 位 于 恒 流 區 ， 且 UO隨 著 IO的 略 微 增 加 而 迅 速 降 低 ；

　　（3）當UO≤2V時，VT1和VT2已無法給光耦繼續提供足夠的工作電流，此時電流控制環不起作用，但初級電流仍受TOP200Y的最大極限電流ILIMIT(max)的限制。這時，UR6↑，通過VT1和VT2使光耦工作電流迅速減小，強迫TOP200Y進入自動重新啟動狀態。這表明，一旦電流控制環失控，立即從恒流模式轉入自動重啟狀態，將IO拉下來，對芯片起保護作用。