一種實用的精密復合式開關穩壓電源的研制

2019-11-03 10:03:15

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供稿：網友

　　宋鑫欣，王　林，于海鷹，沈光地

　　（北京工業大學　北京100022）

　　摘　要：介紹一種雙路輸出的高效、精密、復合式開關穩壓電源的設計方法。該電源既具有開關電源的高效，同時又具有線性穩壓電源的穩壓特性好的特點，因而是一種集開關電源與線性電源優點于一身的較為理想的實用化電源。

　　關鍵詞：開關電源；復合；低壓差線性穩壓器；線性電源　

　　Design of　an Utility PRecision Combination Switching Power　Supply

　　SONG Xinxin，WANG Lin，YU Haiying，SHEN Guangdi

　　（Beijing University of Technology，Beijing，100022，China）

　　Abstract：The combination switching power supply with double outputsisdesigned in this paper．This power supply has not onlythe advantage of the general switching power supply butalso the high perfect stability in voltage．

　　KeyWords：switching power supply；combination；low dropout regulator；linear power

　　當前眾多開關穩壓電源，雖然體積小，效率高，但輸出電壓的紋波較大，尤其對于多路輸出開關電源，通常不能同時保證多路輸出的高穩定性。傳統的線性穩壓電源輸出電壓穩定性雖高，但缺點是電源效率低，還必須配備笨重的工頻變壓器。為此，本文介紹了一種雙路輸出的復合式開關穩壓電源，該電源采用TOPSwitch器件作為前級穩壓器，給低壓差線性穩壓器LT1528提供直流輸入電壓，然后利用低壓差線性穩壓器LT1528獲得高質量的穩壓輸出。實驗證明該電路具有良好的性能，有很高的實用性。

　　1　復合式開關電源的設計

　　復合式開關電源的電路構成框圖如圖1所示，該電源主要由TOPSwitch器件與低壓差線性集成穩壓器（LowDropoutRegulator）LT1528CT構成。

　　1．1　TOPSwitch器件

　　 TOPSwitch系列芯片是PowerIntergretion公司生產的開關電源專用集成電路。TOPSwitch-Ⅱ只有3個引出端，漏極D為主電源輸入端、控制端C為控制信號輸入端、源極S是電源公共端，也是控制電路的基準點。該芯片將脈寬調制PWM控制系統的全部功能集成到三端芯片中，內部結構功能框圖如圖2所示，包括脈寬調制器、功率開關場效應管MOSFET、自動偏置電路、護電路、高壓啟動電路和環路補償電路等。使用該芯片設計的單端反激式開關電源，電路結構簡潔、成本低、且性能非常可靠。

　　1．2　低壓差線性集成穩壓器LT1528

　　低壓差集成穩壓器是近年來問世的高效率線性穩壓集成電路。傳統的三端集成穩壓器普遍采用電壓控制型，為保證穩壓效果，輸入輸出壓差一般取2～4 V以上，否則不能正常工作。低壓差穩壓器采用電流控制型，并且選用低壓降的晶體管作為內部調整管，能夠把輸入輸出壓差降低到0．6 V以下，大大提高了電源的轉換效率。

　　LT1528是Linear Technology公司生產的一種最大輸出電流為3A、具有反向輸入保護、過流保護等多種保護功能的可調式低壓差線性集成穩壓器。圖3給出了該器件的電壓降與輸出電流的關系曲線，由該曲線可以看出對應輸出電流為1 A時，LT1528的輸入輸出壓差僅為0．3 V，當電流增大到3 A時，壓差也僅為0．6 V。因此LT1528自身具有很小的功耗，為此，選由該器件作為復合式開關穩壓電源的線性穩壓器。圖4給出該芯片5-lead TO-220管腳封裝結構示意圖。其中VIN和OUTPUT分別為電壓輸入端和輸出端，GND為公共端，SENSE和SHDN分別為調整端和控制端。LT1528的輸出電壓可調節范圍為3.3-14V。該器件的典型應用電路如圖5所示，其輸出的電壓值由式（1）決定，其中VSENSE=3.3V；在25℃時ISENSE=13.μA。

　　1．3　復合式開關電源電路的設計

　　圖6所示的電路是該復合式開關電源的原理圖。固定220 V交流（±15％）輸入，雙路輸出電壓＋5 V／1．5 A，－5 V／1．5 A，輸出功率約為15 W。電路包括輸入整流濾波、TOP222脈寬調制、高頻變壓器、電流反饋、低壓差線性穩壓、整流濾波輸出等幾部分。用到了IC1（TOP222），IC2光耦合器（PC817A），IC3，IC4（LT1528）四個集成芯片。交流電源經整流濾波后，產生一個大約310 V的直流電壓加在變壓器初級繞組的一端和TOP222的源極，變壓器初級的另一端由TOP222中的高壓MOSFET來驅動。VDZ1和VD1用來箝位因變壓器漏感引起的前沿電壓尖峰。變壓器兩組副邊經整流濾波后分別產生±5．5 V的輸R5，R6取值由式（1）確定。變壓器反饋繞組兩端電壓經整流濾波得到TOP222需要的偏置電壓。變壓器第一路輸出電壓由齊納二極管VDZ2和光耦中發光二極管取樣，光耦的輸出晶體管驅動TOP222的控制腳，通過控制TOP222控制端電流的大小，來調整占空比，從而達到穩壓的目的。

　　在設計印制板時要注意，連接TOP222Y，C2高頻變壓器初級繞組的引線上有高頻開關電流通過，因此上述引線應盡量短，以減小電磁干擾。TOPSwitch的源極必須采用單點接地法，即控制端旁路電容C12的負極、反饋電路的返回端、高壓返回端應分開布線，最后在源極管腳處匯合。安全電容C13應通過寬而短的印制導線分別接至反饋繞組和次級繞組的返回端。

　　1．4　高頻開關變壓器的設計

　　在單端反激式開關電源中，高頻開關變壓器既是儲能元件又是傳遞能量的主體，設計難度較大，是一個十分關鍵的環節。設計的主要參數包括初級電感量LP，變壓器變比n，初、次級繞組匝數NP，NS以及反饋繞組匝數NF等。

　　1．4．1　選擇恰當的磁芯

　　選用R2KDP錳鋅鐵氧體材料制成的EE22型鐵氧體磁芯。R2KDP屬于高頻低功耗電源鐵氧體材料，該材料在25℃時飽和磁感應強度Bs＝510 mT，在100℃時Bs＝400 mT。EE型磁芯具有價格低廉，磁損耗低，適應性強等優點。磁芯的截面積Ae與輸出功率P0存在對應關系，當P0＝15 W左右時，通常選擇Ae＝0．41 cm2的EE22型磁芯。

　　1．4．2　初級電感量LP的計算

　　當電路工作在電流臨界連續狀態時，初級電感量計算公式如式（2）：

　　其中：輸入直流最小電壓

最大導通時間TON＝Dmax／f；Dmax是設定的最大占空比，在220 V固定輸入時，通常取Dmax＝0．4；開關頻率f＝100 kHz；η 為預測效率值；Iip是初級峰值電流，其表達式為：

　　考慮到選擇電流連續模式能提高多路輸出開關電源中TOPSwitch的利用率，因此在上述LP計算值的基礎上，適當增大LP值，有利于該電源工作在連續模式。

　　1．4．3　確定變壓器各繞組匝數

　　（1）變壓器變比的計算

　　當TOP222中的MOSFET關斷時，儲存在變壓器初級中的能量開始向次級傳遞，次級兩路繞組的電壓VS1，VS2可表示為：

　　變壓器次級電壓與輸出電壓V0的關系為：　

　　其中LT1528輸入、輸出壓差VDrop為0．5 V；變壓器次級繞組壓降VL為0．3 V；輸出整流肖特基管壓降VF為0．4 V。

　　變壓器的變比n可表示為：

　　其中：VOR＝VIN×ton／toff是在TOP222關斷期間，初級感應到的電壓值。

　　（2）變壓器初級及反饋繞組匝數的計算

　　其中：單端反激式變壓器工作磁通密度ΔB一般取飽和磁通密度值BS的一半，即ΔB＝BS／2。

　　反饋繞組匝數的計算公式為：

　　1．4．4　變壓器繞制時的注意事項

　　變壓器結構對初級繞組的漏電感有很大影響，漏電感會導致MOSFET關斷時產生感應電壓。為減小變壓器的漏感，可采用三明治繞法把副邊夾在原邊的中間，或在原邊層與層之間加上膠布。另外變壓器繞組的頂部互相之間應同軸，以便使耦合最強，減小漏電感。單端反激式變壓器的磁芯，通常要加氣隙來解決磁通復位的問題，不但可使變壓器穩定正常工作，還能增大電源的輸櫥功率，減小變壓器的高頻磁芯損耗。

　　2　實驗結果

　　在額定輸入電壓AC220 V下，當負載從0變化到額定值，實測電路的負載調整率為SI＝ΔV／VO＝0．96％。在額定負載下，該電源兩路輸出電壓的紋波均在40 mV左右。輸出紋波主要由變壓器漏感導致的尖峰電壓及輸出整流管電壓所產生，這可以通過優化PCB版的布局，選用反向恢復時間短的整流管等方法來抑制。

　　3　結語

　　本文利用TOP222和低壓差線性穩壓器LT1528器件研制了一種雙路輸出的復合式開關穩壓電源，該電源具有體積小，效率高，輸出電壓非常穩定，以及負載調整率好的特點。實驗表明該電源是一種性能良好的高精度穩壓源。

　　參考文獻

　　［1］沙占友．新型單片開關電源的設計與應用［M］．北京：電子工業出版社，2001．

　　［2］劉勝利．現代高頻開關電源實用技術［M］．北京：電子工業出版社，2001．

　　［3］趙白令．用Topswitch芯片設計的反激式開關電源［J］．現代雷達，2003，（7）．

摘自現代電子技術

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