开关稳压电源 一种新型的复合式开关稳压电源的设计

　　 [摘要] 本文给出一种实用的输出精密的复合式开关稳压电源设计方法。给出具体的设计电路和实际中应注意的一些事项。该电源具有重量轻、体积小、效率高等优点,是一种较为理想实用的精密稳压电源。
　　[关键词]单片开关电源 复合式 AC/DC MAX8873
　　
　　一、引言
　　电源是现代电力电子设备不可缺少的组成部分,其性能的优劣直接影响设备的性能。传统的电源由于笨重、效率低而逐渐被重量轻、体积小、效率高的开关电源所代替。复合式开关电源作为一种高效率的开关电源,是对线性稳压电源和开关稳压电源进行优化组合形成的一种电源设计方案,它即具有输出电压稳定程度高、纹波电压小、电源转换效率高等众多优点。本文介绍了一种新型复合式开关稳压电源,该电源采用了一种新型单片AC/DC单片开关电源作为前级稳压器,为低压差线性稳压器MAX8873提供直流输入电压,然后利用低压差线性稳压器MAX8873获得高质量的稳压输出,组成高效率、输出可调的复合稳压电源。实验证明该电路具有良好的性能,有很高的实用性。
　　二、AC/DC开关电源
　　本设计采用基于Trench DMOS工艺设计的一种AC/DC开关电源管理芯片。该芯片的工作方式为PWM即脉冲宽度调制方式;电路正常工作温度范围是-35℃至130℃;工作的开关频率为100KHz;占空比调节范围是3%～65%。其特点是宽压输入,输出电压纹波小,芯片效率高。该开关电源变换器集成了耐650V高压的功率开关管、电流限流比较器、振荡器、旁路调整器/误差放大器、高压电流源、基准源和过温、过压/欠压、过流及自动重启等保护电路,采用PWM调制模式达到在不同的负载下的高效率,采用隔离结构降低了芯片的EMI。开关电源控制集成电路的原理图如图1所示:
　　针对变压器原边绕组的漏感产生的高压毛刺,采用二极管D1与稳压管VR1并联接入原边绕组侧,用来吸收高压毛刺。光电耦合三极管U2的偏置电压由二极管D3与电容C3构成的整流电路提供。稳压管VR2、电阻R1、光电耦合三极管U2、电容C5组成电压反馈电路,用来确保电压稳定能都稳定输出。稳压管VR2和电阻R2保证了电源空载或轻载时输出电压的稳定性。利用电容C2降低输出直流电压的交流纹波。
　　电路工作原理:输入交流电先经过整流桥BR1整流,之后再经电容C1滤波,最后转变为脉动的直流电压。当MOSFET开关管导通时,电容C1两端的电压加到反激变压器的原边,流过原边绕组的电流线性增加,变压器储存能量。当MOSFET开关管关断时,电感原边电流由于没有回路而突变为零,此时稳压管VR1的击穿电压高于原边的感应电势而截止。
　　该AC/DC开关电源控制芯片结构示意图如图2所示,该集成电路的主要组成部分有旁路调整器/误差放大器、锯齿波/振荡发生电路、PWM比较器、基准电压源、软启动电路、上电复位电路及其它保护电路等。
　　从图2可以看出控制芯片的最大特色是把外置管脚数控制为三个。振荡器和功率管的内置使管脚数减少,功率管的内置还提供了启动偏置电压。控制引脚C不仅给内部供电,还提供了反馈电流信号,可用于控制电路的旁路电流和控制PWM占空比。此外,来利用功率管的导通电阻作为敏感电阻,来实现各个周期内的限流保护,这些都是该电路的特色。
　　三、低压差线性集成稳压器MAX8873
　　低压差集成稳压器是近年来应用广泛的高效率线性稳压集成电路。传统的三端集成稳压器普遍采用电压控制型,为保证稳压效果,其输入输出压差一般取2V~4V来保证正常工作。低压差稳压器采用电流控制型,选用低压降的晶体管作为内部调整管,能够把输入输出压差降低到0.6V以下,提高了电源的转换效率。产品主要有MAXIM公司生产的MAX8873系列,MICREL公司生产的MIC39500系列,TI公司生产的TPS767系列,LT公司生产的LT1528系列等。本文采用应用广泛的MAX8873芯片,MAX8873的典型工作电路如图3所示。
　　MAX8873是MAXIM公司生产的输出120mA的低压差线性稳压器。其中IN和OUT分别为电压输入端和输出端,GND为公共端,SET和SHDN分别为调整端和控制端。其主要特点有:组成电源外围元件最少,压差低,静态电流低,有关闭电源控制,输出电压固定,由外接电阻组成的分压器时输出电压可调,内部有输出电流限制、过热保护及电池反接保护等。
　　MAX8873有两种工作模式:工作在预置的电压模式下或工作在可调的电压模式下。在预置的电压模式下,内部电位器能够设置它的输出电压,我们通过连接SET端到地选择这种模式。在可调模式下,我们通过在SET端连上两个外部电阻作为分压器来选择输出电压,电压范围可从1.25V到6.5V。
　　为了减小寄生电容的影响,我们在电阻R1两端串上一个10PF到25PF的电容。而在预置电压模式下,SET端和地之间的阻值不能小于100K,否则SET端的电压将超过两种工作模式的门限值60mV。
　　四、新型复合式开关稳压电源的设计
　　本复合式开关稳压电源的原理图如图4所示。
　　电源输入交流宽输入电压85V-265V,双路输出电压+5V/1.5A,-5V/1.5A,输出功率15W。电路包括输入整流滤波,脉宽调制,高频变压器,电流反馈,低压差线性稳压,整流滤波输出等几部分。交流输入经整流滤波后,产生一个的直流电压加在变压器初级绕组的一端和控制芯片的源极,变压器初级的另一端由控制芯片内的高压功率管驱动。变压器两组副边经整流滤波后分别产生±5.5V的输出电压,该电压经LC滤波后输入到MAX8873中,经MAX8873输出后再通过下一级LC输出滤波得到±5V的高稳定输出。
　　在设计PCB板时要注意,电容C2负极应直接连反馈绕组,将反馈绕组上的浪涌电流直接返回到输入滤波电容,提高抑制浪涌干扰的能力。控制端附近的电容应尽可能靠近源极和控制端的引脚。控制芯片的源极采用单点接地法,即控制端旁路电容C12的负极、反馈电路的返回端、高压返回端应分开布线,最后在源极管脚处汇合。安全电容C13应通过宽而短的印制导线分别接至反馈绕组和次级绕组的返回端。尽量使用大尺寸的低电感引线。
　　五、实验结果
　　在市电输入下,当负载从0达到额定值时,电路的负载调整率为95%,输出电压纹波在40mV左右,输出纹波主要由变压器漏感的电压和整流管电压产生,可以通过进一步优化PCB版布局等方法来改善。
　　六、结束语
　　本文采用基于Trench DMOS工艺设计的一种AC/DC开关电源管理芯片和低压差线性稳压器MAX8873设计了一种新型通用的复合式开关稳压电源。该电源具有体积小,效率高,输出电压稳定,负载调整率好等优点,实验表明该电源是一种性能良好的高精度稳压源。
　　参考文献:
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