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恒压/恒流输出式单片开关电源的设计原理

发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:400

作者：河北科技大学 沙占友 武卫东 王晓君（石家庄050054）来源：《电源技术应用》

摘要：单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片，本文阐述恒压/恒流输出式的设计原理。 关键词：单片开关 设计原理 恒压/恒流输出 恒压/恒流输出式单片开关电源可简称为恒压/恒流源。其特点是具有两个控制环路，一个是电压控制环，另一个为电流控制环。当输出电流较小时，电压控制环起作用，具有稳压特性，它相当于恒压源；当输出电流接近或达到额定值时，通过电流控制环使io维持恒定，它又变成恒流源。这种电源特别适用于电池充电器和特种电机驱动器。下面介绍一种低成本恒压/恒流输出式开关电源，其电流控制环是由晶体管构成的，电路简单，成本低，易于制作。 1 恒压/恒流输出式开关电源的工作原理 7.5v、1a恒压/恒流输出式开关电源的电路如图1所示。它采用一片top200y型开关电源(ic1)，配pc817a型线性光耦合器(ic2)。85v～256v交流输入电压u经过emi滤波器l2、c6)、整流桥(br)和输入滤波电容(c1)，得到大约为82v～375v的直流高压ui，再通过初级绕组接top200y的漏极。由vdz1和vd1构成的漏极箝位保护电路，将高频变压器漏感形成的尖峰电压限定在安全范围之内。vdz1采用bzy97c200型瞬态电压抑制器，其箝位电压ub=200v。vd1选用uf4005型超快恢复二极管。次级电压经过vd2、c2整流滤波后，再通过l1、c3滤波，获得＋7.5v输出。vd2采用3a/70v的肖特基二极管。反馈绕组的输出电压经过vd3、c4整流滤波后，得到反馈电压ufb=26v，给光敏三极管提供偏压。c5为旁路电容，兼作频率补偿电容并决定自动重启频率。r2为反馈绕组的假负载，空载时能限制反馈电压ufb不致升高。 该电源有两个控制环路。电压控制环是由1n5234b型62v稳压管(vdz2)和光耦合器pc817a(ic2)构成的。其作用是当输出电流较小时令开关电源工作在恒压输出模式，此时vdz2上有电流通过，输出电压由vdz2的稳压值(uz2)和光耦中led的正向压降(uf)所确定。电流控制环则由晶体管vt1和vt2、电流检测电阻r3、光耦ic2、电阻r4～r7、电容c8构成。其中，r3专用于检测输出电流值。vt1采用2n4401型npn硅管，国产代用型号为3dk4c；vt2则选2n4403型pnp硅管，可用国产3dk9c代换。r6、r5分别用于设定vt1、vt2的集电极电流值ic1、ic2。r5还决定电流控制环的直流增益。c8为频率补偿电容，防止环路产生自激振荡。在刚通电或自动重新启动时，瞬态峰值电压可使vt1导通，利用r7对其发射结电流进行限制；r4的作用是将vt1的导通电流经vt2旁路掉，使之不通过r1。电流控制环的启动过程如下：随着io的增大，当io接近于1a时，ur3↑→vt1导通→ur6↑→vt2导通，由vt2的集电极给光耦提供电流，迫使uo↓。由uo降低，vdz2不能被反向击穿，其上也不再有电流通过，因此电压控制环开路，开关电源就自动转入恒流模式。c7为安全电容，能滤除由初、次级耦合电容产生的共模干扰。 该电源既可工作在7.5v稳压输出状态，又能在1a的受控电流下工作。当环境温度范围是0℃～50℃时，恒流输出的准确度约为±8％。 该电源的输出电压－输出电流(u0－i0)特性如图2所示。由图可见，它具有以下显著特点： （1）当u=85vac或265vac时，特性曲线变化很小，这表明输出特性基本不受交流输入电压变化的影响； （2）当io<0.90a时处于恒压区，io≈0.98a时位于恒流区，且uo随着io的略微增加而迅速降低； （3）当uo≤2v时，vt1和vt2已无法给光耦继续提供足够的工作电流，此时电流控制环不起作用，但初级电流仍受top200y的最大极限电流ilimit(max)的限制。这时，ur6↑，通过vt1和vt2使光耦工作电流迅速减小，强迫top200y进入自动重新启动状态。这表明，一旦电流控制环失控，立即从恒流模式转入自动重启状态，将io拉下来，对芯片起保护作用。 2 恒压/恒流输出式开关电源的电路设计 电压及电流控制环的单元电路如图3所示。 2.1 电压控制环的设计 恒压源的输出电压由下式确定：

作者：河北科技大学 沙占友 武卫东 王晓君（石家庄050054）来源：《电源技术应用》

摘要：单片开关电源是国际上90年代才开始流行的新型开关电源芯片，本文阐述恒压/恒流输出式的设计原理。 关键词：单片开关 设计原理 恒压/恒流输出 恒压/恒流输出式单片开关电源可简称为恒压/恒流源。其特点是具有两个控制环路，一个是电压控制环，另一个为电流控制环。当输出电流较小时，电压控制环起作用，具有稳压特性，它相当于恒压源；当输出电流接近或达到额定值时，通过电流控制环使io维持恒定，它又变成恒流源。这种电源特别适用于电池充电器和特种电机驱动器。下面介绍一种低成本恒压/恒流输出式开关电源，其电流控制环是由晶体管构成的，电路简单，成本低，易于制作。 1 恒压/恒流输出式开关电源的工作原理 7.5v、1a恒压/恒流输出式开关电源的电路如图1所示。它采用一片top200y型开关电源(ic1)，配pc817a型线性光耦合器(ic2)。85v～256v交流输入电压u经过emi滤波器l2、c6)、整流桥(br)和输入滤波电容(c1)，得到大约为82v～375v的直流高压ui，再通过初级绕组接top200y的漏极。由vdz1和vd1构成的漏极箝位保护电路，将高频变压器漏感形成的尖峰电压限定在安全范围之内。vdz1采用bzy97c200型瞬态电压抑制器，其箝位电压ub=200v。vd1选用uf4005型超快恢复二极管。次级电压经过vd2、c2整流滤波后，再通过l1、c3滤波，获得＋7.5v输出。vd2采用3a/70v的肖特基二极管。反馈绕组的输出电压经过vd3、c4整流滤波后，得到反馈电压ufb=26v，给光敏三极管提供偏压。c5为旁路电容，兼作频率补偿电容并决定自动重启频率。r2为反馈绕组的假负载，空载时能限制反馈电压ufb不致升高。 该电源有两个控制环路。电压控制环是由1n5234b型62v稳压管(vdz2)和光耦合器pc817a(ic2)构成的。其作用是当输出电流较小时令开关电源工作在恒压输出模式，此时vdz2上有电流通过，输出电压由vdz2的稳压值(uz2)和光耦中led的正向压降(uf)所确定。电流控制环则由晶体管vt1和vt2、电流检测电阻r3、光耦ic2、电阻r4～r7、电容c8构成。其中，r3专用于检测输出电流值。vt1采用2n4401型npn硅管，国产代用型号为3dk4c；vt2则选2n4403型pnp硅管，可用国产3dk9c代换。r6、r5分别用于设定vt1、vt2的集电极电流值ic1、ic2。r5还决定电流控制环的直流增益。c8为频率补偿电容，防止环路产生自激振荡。在刚通电或自动重新启动时，瞬态峰值电压可使vt1导通，利用r7对其发射结电流进行限制；r4的作用是将vt1的导通电流经vt2旁路掉，使之不通过r1。电流控制环的启动过程如下：随着io的增大，当io接近于1a时，ur3↑→vt1导通→ur6↑→vt2导通，由vt2的集电极给光耦提供电流，迫使uo↓。由uo降低，vdz2不能被反向击穿，其上也不再有电流通过，因此电压控制环开路，开关电源就自动转入恒流模式。c7为安全电容，能滤除由初、次级耦合电容产生的共模干扰。 该电源既可工作在7.5v稳压输出状态，又能在1a的受控电流下工作。当环境温度范围是0℃～50℃时，恒流输出的准确度约为±8％。 该电源的输出电压－输出电流(u0－i0)特性如图2所示。由图可见，它具有以下显著特点： （1）当u=85vac或265vac时，特性曲线变化很小，这表明输出特性基本不受交流输入电压变化的影响； （2）当io<0.90a时处于恒压区，io≈0.98a时位于恒流区，且uo随着io的略微增加而迅速降低； （3）当uo≤2v时，vt1和vt2已无法给光耦继续提供足够的工作电流，此时电流控制环不起作用，但初级电流仍受top200y的最大极限电流ilimit(max)的限制。这时，ur6↑，通过vt1和vt2使光耦工作电流迅速减小，强迫top200y进入自动重新启动状态。这表明，一旦电流控制环失控，立即从恒流模式转入自动重启状态，将io拉下来，对芯片起保护作用。 2 恒压/恒流输出式开关电源的电路设计 电压及电流控制环的单元电路如图3所示。 2.1 电压控制环的设计 恒压源的输出电压由下式确定：

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