摘 要： 提出了一種與電源頻率同步的小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。這種電源結(jié)構(gòu)簡單，有自適應(yīng)功能，可在50Hz和60Hz頻率的110V～220V寬電壓范圍內(nèi)工作，有軟啟動(dòng)功能和穩(wěn)壓功能，可簡單地構(gòu)成輸出功率在2W以內(nèi)的小功率電源。
關(guān)鍵詞： 同步；寬電壓；小功率
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小容量、小體積的0.5W～2W的直流穩(wěn)壓電源廣泛用于各種控制、檢測、分析電子裝置和家用電器、繼電器驅(qū)動(dòng)等電子設(shè)備中，特別是在小家電領(lǐng)域具有廣泛的實(shí)用價(jià)值[1-2]，也可用于各種電子設(shè)備的待機(jī)電源。
現(xiàn)有的斬波式開關(guān)電源典型應(yīng)用的集成電路有HV-2405E、CJM03、SR036和SR037等，這種集成電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，但有的無穩(wěn)定電壓輸出，有的無軟啟動(dòng)功能，有的輸出電壓不能改變，充電時(shí)尖脈沖大。另外，由于開關(guān)管使用場效應(yīng)管，因此成本較高[3]，在實(shí)際使用中受到一定的限制。
本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)同步斬波式開關(guān)電源具有軟啟動(dòng)、輸出電壓可調(diào)、自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓、充電電流可調(diào)、開關(guān)管可使用廉價(jià)的晶體管等特點(diǎn)。
1 比較點(diǎn)固定的同步斬波式小功率電源的缺點(diǎn)
現(xiàn)有的此類電源都采用了比較點(diǎn)固定模式，電路模型如圖1所示，工作波形如圖2所示。圖2中曲線1為交流220V整流后的波形，曲線2為固定的比較電壓。由于在電容兩端突然加上較高的電壓，同時(shí)所加的電壓按正弦規(guī)律很快下降，在t1時(shí)刻導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生很高的尖脈沖充電電流，此電流由于維持時(shí)間短，對(duì)充電的貢獻(xiàn)不大，但卻引起大于平均充電電流幾十倍的電流，從而對(duì)整流橋和開關(guān)管產(chǎn)生很大的沖擊。
充電時(shí)的充電電流由式(1)決定：
其中u為220V交流電壓的正半周，uc為電源輸出端電容兩端的電壓，R1為外接限流電阻，Rd為整流橋的導(dǎo)通等效電阻，Ron為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的等效電阻。可見u和uc之差越大，充電電流越大。從t1～t2～t3時(shí)間內(nèi)開關(guān)管總是導(dǎo)通，t2～t3時(shí)間內(nèi)電壓是按正弦規(guī)律逐漸上升的，因此電壓超過輸出電壓的額定值時(shí)，充電電流開始有較大的突變，之后按正弦規(guī)律逐漸上升，其峰值不大但維持時(shí)間較長，因此對(duì)充電的貢獻(xiàn)卻是很大。從而得出結(jié)論：為了減少尖峰脈沖充電電流，不要在t1時(shí)刻導(dǎo)通開關(guān)管而是在適當(dāng)延遲后導(dǎo)通，以便得到適當(dāng)?shù)某潆婋娏鳎芰恐饕趖2～t3時(shí)間內(nèi)傳遞。
2 自適應(yīng)同步斬波式小功率開關(guān)電源
2.1 電路的組成
自適應(yīng)同步式小功率開關(guān)電源的電路框圖如圖3所示，由電流限制電阻、整流橋、開關(guān)管、儲(chǔ)能電容、輸出電壓檢測器、比較器、自適應(yīng)比較電壓建立器等部分組成。
具體電路如圖4所示，該電源的輸出電壓大小取決于穩(wěn)壓管D3的穩(wěn)壓值，可提供3V～30V輸出電壓，輸出電流為100mA～300mA，如果要求輸出電壓穩(wěn)壓精度較高時(shí)輸出端加簡單的串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路即可。圖中Q1、Q3為400V以上的高反壓管，其余為30V以下的低反壓管，因此成本較低。
2.2 工作原理
工作波形如圖5所示。通電后電流經(jīng)過R4對(duì)C3充電建立變動(dòng)的比較電壓Uref，由于R4、C3、R7及電路的寄生電容的作用，整流橋輸出端電壓不是按照ab曲線下降，而是按照ac曲線下降，因此t1時(shí)刻Q4的be結(jié)無電壓不導(dǎo)通，而延遲到T1時(shí)刻后通過流經(jīng)D1、R3、Q4的be結(jié)，因此Q4導(dǎo)通從而Q3、Q1導(dǎo)通，電流通過R2、整流橋、Q1給C2充電,由于此時(shí)充電電壓較小只能引起較小的充電電流，經(jīng)過T1～t2～t3時(shí)間C2充電后電壓超過12V，此時(shí)Q2導(dǎo)通把Uref穩(wěn)定在合適的大小。當(dāng)電壓超過Uref時(shí)D1截止, 通過R1、R3使Q4反相偏置，Q4迅速截止。為了減少R1反相電流，選取R1和R3時(shí)應(yīng)滿足R1>>R3。
圖6為實(shí)測的工作波形圖,可見電壓下降處所產(chǎn)生的電流是上升處產(chǎn)生的電流的2倍左右，但對(duì)充電的貢獻(xiàn)是5倍以上。
這種電源的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)Uref自動(dòng)下降，從而自動(dòng)取消對(duì)充電貢獻(xiàn)不大的下降沿處的充電，減少高頻諧波。圖7為負(fù)載較小時(shí)的工作波形。
2.3 電源特性
2.3.1 軟啟動(dòng)特性
軟啟動(dòng)工作過程如圖8所示。接通電源時(shí)通過R4對(duì)C3充電建立比較點(diǎn)電壓，由于輸出電壓未達(dá)到12V，因此Q2不導(dǎo)通，每通過半個(gè)周期C3的電壓逐漸增加，導(dǎo)通角也逐漸增加，輸出電壓逐漸升高。當(dāng)輸出電壓達(dá)到12V時(shí)，Q2開始導(dǎo)通限制C3的電壓繼續(xù)增加，最終穩(wěn)定在合適的大小。
?實(shí)測的工作波形如圖9所示?？梢婋娫唇油ê蟊容^點(diǎn)電壓Uref逐漸上升，經(jīng)過269ms后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而輸出端電壓經(jīng)過104ms延遲后從0開始上升最終達(dá)到12V。
2.3.2 軟啟動(dòng)時(shí)間的計(jì)算
軟啟動(dòng)時(shí)間取決于交流電壓的大小、R4、C3和比較電壓Uref的大小，由式(2)可確定[4]。
2.3.3 寬電壓工作特性
圖10表示輸出電壓為12V，輸出電流為30mA時(shí),改變輸入電壓分別為110V和220V時(shí)的導(dǎo)通角改變的波形圖。電壓的上升率在110V時(shí)比220V時(shí)小，因此導(dǎo)通角加大充電時(shí)間變長，電流上升率較低，有利于提高輸出電壓穩(wěn)定度。實(shí)測結(jié)果表明，此種電源可在80V～280V的寬電壓范圍內(nèi)工作，且輸入電壓較低時(shí)導(dǎo)通角增加，從而使輸出電壓穩(wěn)定度有所提高。
自適應(yīng)同步斬波式小功率開關(guān)電源與其他小功率電源相比，電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、輸出功率較大、體積小、成本低，因此有利于實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的小型化，提高性能價(jià)格比。
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