作者：www.nenghua.com.cn 发布日期：2014-08-16 00:33 信息来源：http://www.lp1995.com
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:uo=uz2+uf+ur1=uz2+uf+ir1·r1(1)式中,uz2=6.2v,uf=1.2(典型值),需要确定的只是r1上的压降ur1。令r1上的电流为ir1,vt2的集电极电流为ic2,光耦输入电流(即led工作电流)为if,显然ir1=ic2=if,并且它们随u、io和光耦的电流传输比ctr值而变化。top200y的控制端电流ic变化范围是2.5ma(对应于最大占空比dmax)~6.5ma(对应于最小占空比dmin),现取中间值ic=4.5ma。因ic是从光敏三极管的发射极流入控制端的,故有关系式ir1=ic/ctr(2)在ic和ctr值确定之后,很容易求出ir1。单片开关电源须采用线性光耦合器,要求ctr=80%~160%,可取中间值120%。将ic=4.5ma,ctr=120%代入式(2)得出,ir1=3.75ma。令r1=39Ω时,ur1=0.146v。最后代入式(1)计算出uo=uz2+uf+ur1=6.2v+1.2v+0.146v=7.546v≈7.5v2.2电流控制环的设计电流控制环由vt1、vt2、r1、r3~r7、c8和pc817a等构成。下面需最终算出恒定输出电流ioh的期望值。图3中,r7为vt1的基极偏置电阻,因基极电流很小,而r3上的电流很大,故可认为vt1的发射结压降ubei全部降落在r3上。则ioh=ube1/r3(3)利用下面二式可以估算出vt1、vt2的发射结压降:ube1=(kt/q)·in(ic1/is)(4)ube2=(ktq)·in(ic2/is)(5)式中,k为波尔兹曼常数,t为环境温度(用热力学温度表示),q是电子电量。当ta=25℃时,t=298k,kt/q=0.0262v。ic1、ic1分别为vt1、vt2的集电极电流。is为晶体管的反向饱和电流,对于小功率管,is=4×10-14a。因为前已求出ir1=if=ic2=3.75ma,所以ube2=(kt/q)in(ic2/is)=0.0262in(3.75ma/4×10-14a)=0.662v又因ie2≈ic2,故ur5=ic2r5=3.75ma×100Ω=0.375v,由此推导出ur6=ur5+ube2=0.375v+0?662=1.037v。取r6=220Ω时,ir6=ic1=ur6/r6=4.71ma。下面就用此值来估算ube1,进而确定电流检测电阻r3的阻值:ube1=0.0262in(4.71ma/4×10-14a)=0.668r3=ibe1/ioh=0.668v/1.0a=0.668Ω与之最接近的标称阻值为0.68Ω。代入式(3)可求得ioh=0.668v/0.68Ω=0.982考虑到vt1的发射结电压ube1的温度系数αt≈-21mv/℃,当环境温度升高25℃时,ioh值降为i'oh=ube1-‖αt‖·t/r3=0.668v-(2.1mv/℃)×25℃/0.68Ω=0.905a恒流准确度为γ=(i'oh-ioh/ioh)·100%=(0.905-0.982/0.982)·100%=-7.8%≈-8%与设计指标相吻合。3.反馈电源的设计反馈电源的设计主要包括两项内容:(1)在恒流模式下计算反馈绕组的匝数nb。之所以按恒流模式计算nb值,是因为此时uo和ufb都迅速降低(uo=uomin=2v),只有ufb足够高时,才能确保恒流源正常工作。(2)在恒压模式下计算出反馈电压额定值ufb。此时uo=7.5v,ufb也将达到最大值,由此求得ufb值,能为选择光耦合器的耐压值提供依据。反馈电压ufb由下式确定:ufb=(uo+uf2+ior3)·nb/ns-uf3(6)式中,uf2和uf3分别为vd2、vd3的正向导通压降。ns为次级匝数。从式(6)可解出nb=(ufb+uf3/uo+uf2+ior3)·ns(7)在恒流模式下当负载加重(即负载电阻减小)时,uo和ufb会自动降低,以维持恒流输出。为使开关电源从恒流模式转换到自动重启状态时仍能给top200y提供合适的偏压,要求ufb至少比恒流模式下控制电压的最大值ucmax高出3v。这里假定ucmax=6v,故取ufb=9v。将ufb=9v、uo=ucmin=2v、uf2=0?6v、uf3=1v、io=ioh=0.982a、r3=0.68Ω、ns=12匝一并代入式(7),计算出nb=36.7匝≈37匝(取整)。在恒压模式下,uo=7.5v,最大输出电流io=0.95a,再代入式(6)求得,ufb=26v,此即反馈电压的额定值。选择光耦合器时,光敏三极管的反向击穿电压必须大于此值,即u(br)ceo>26v。常用线性光耦的u(br)ceo=30v~90v。计算光敏三极管反向工作电压uic2的公式为uic2=ufb-ucmin(8)式中,ucmin为控制端电压的最小值(5.5v)。不难算出,uic2=20.5v。这里采用pc817a型光耦合器,其u(br)ceo=35v>20.5v,完全能满足要求。但在设计高压电池充电器时,必须选择耐高压的光耦合器。
