恒壓/恒流輸出式單片開關電源的設計原理

2恒壓/恒流輸出式開關電源的電路設計

電壓及電流控制環的單元電路如圖3所示。

21電壓控制環的設計

　　恒壓源的輸出電壓由下式確定：

UO=UZ2＋UF＋UR1=UZ2＋UF＋IR1·R1(1)

式中，UZ2=62V，UF=12(典型值)，需要確定的只是R1上的壓降UR1。令R1上的電流為IR1，VT2的集電極電流為IC2，光耦輸入電流(即LED工作電流)為IF，顯然IR1=IC2=IF，并且它們隨u、IO和光耦的電流傳輸比CTR值而變化。TOP200Y的控制端電流IC變化范圍是25mA(對應于最大占空比Dmax)～65mA(對應于最小占空比Dmin)，現取中間值IC=45mA。因IC是從光敏三極管的發射極流入控制端的，故有關系式(2)

在IC和CTR值確定之后，很容易求出IR1。單片開關電源須采用線性光耦合器，要求CTR=80％～160％，可取中間值120％。將IC=45mA，CTR=120％代入式(2)得出，IR1=375mA。令R1=39Ω時，UR1=0146V。最后代入式(1)計算出

UO=UZ2＋UF＋UR1=62V＋12V＋0146V

=7546V≈75V

22電流控制環的設計

　　電流控制環由VT1、VT2、R1、R3～R7、C8和PC817A等構成。下面需最終算出恒定輸出電流IOH的期望值。圖3中，R7為VT1的基極偏置電阻，因基極電流很小，而R3上的電流很大，故可認為VT1的發射結壓降UBEI全部降落在R3上。則(3)

利用下面二式可以估算出VT1、VT2的發射結壓降：(4)(5)

式中，k為波爾茲曼常數，T為環境溫度(用熱力學溫度表示)，q是電子電量。當TA=25℃時，T=298K,kT/q=00262V。IC1、IC1分別為VT1、VT2的集電極電流。IS為晶體管的反向飽和電流，對于小功率管，IS=4×10－14A。

　　因為前已求出IR1=IF=IC2=375mA，所以

又因IE2≈IC2，故UR5=IC2R5=375mA×100Ω=0375V，由此推導出UR6=UR5＋UBE2=0375V＋0662=1037V。取R6=220Ω時，IR6=IC1=UR6/R6=471mA。下面就用此值來估算UBE1，進而確定電流檢測電阻R3的阻值：

與之最接近的標稱阻值為068Ω。代入式(3)可求得考慮到VT1的發射結電壓UBE1的溫度系數αT≈－21mV/℃，當環境溫度升高25℃時，IOH值降為

恒流準確度為

與設計指標相吻合。

3反饋電源的設計

　　反饋電源的設計主要包括兩項內容：

　　(1)在恒流模式下計算反饋繞組的匝數NB。之所以按恒流模式計算NB值，是因為此時UO和UFB都迅速降低(UO=UOmin=2V)，只有UFB足夠高時，才能確保恒流源正常工作。

　　（2）在恒壓模式下計算出反饋電壓額定值UFB。此時UO=75V，UFB也將達到最大值，由此求得UFB值，能為選擇光耦合器的耐壓值提供依據。

　　反饋電壓UFB由下式確定：(6)

式中，UF2和UF3分別為VD2、VD3的正向導通壓降。NS為次級匝數。從式（6）可解出(7)

在恒流模式下當負載加重(即負載電阻減小)時，UO和UFB會自動降低，以維持恒流輸出。為使開關電源從恒流模式轉換到自動重啟狀態時仍能給TOP200Y提供合適的偏壓，要求UFB至少比恒流模式下控制電壓的最大值UCmax高出3V。這里假定UCmax=6V，故取UFB=9V。將UFB=9V、UO=UCmin=2V、UF2=06V、UF3=1V、IO=IOH=0982A、R3=068Ω、NS=12匝一并代入式(7)，計算出NB=367匝≈37匝（取整）。

　　在恒壓模式下，UO=75V，最大輸出電流IO=095A，再代入式(6)求得，UFB=26V，此即反饋電壓的額定值。選擇光耦合器時，光敏三極管的反向擊穿

表1各項性能指標

電壓必須大于此值，即U(BR)CEO>26V。常用線性光耦的U(BR)CEO=30V～90V。計算光敏三極管反向工作電壓UIC2的公式為

UIC2=UFB－UCmin(8)

式中，UCmin為控制端電壓的最小值(55V)。不難算出，UIC2=205V。這里采用PC817A型光耦合器，其U(BR)CEO=35V>205V，完全能滿足要求。但在設計高壓電池充電器時，必須選擇耐高壓的光耦合器。