特种集成开关电源的电路设计

特种集成开关电源的电路设计

摘要：详细阐述了四种新型特种集成开关电源的性能特点、电路设计方案及其应用领域。

关键词：特种集成开关电源复合型恒压／恒流型截流型恒功率型TheCircuitDesignofIntegrated

1引言

特种集成开关电源与传统的开关电源相比，具有电路新颖、功能奇特、性能先进、应用领域较为广泛等特点。特种集成开关电源主要包括以下四种类型：复合型开关电源、恒压／恒流型开关电源、截流输出型开关电源恒功率输出型开关电源。它们均采用TOPSwitch或TOPSwitch－Ⅱ系列单片开关电源集成电路，再配上相应的外围电路（含控制环路）设计而成，具有不同的输出特性和应用领域，能满足不同用户的需要。

2复合型开关电源的电路设计

2.1复合型开关电源的设计方案

众所周知，线性集成稳压器的输出稳定度很高，纹波电压很小，但电源效率低，需使用笨重的工频变压器。而单片开关电源的效率很高，并且能省去工频变压器，但电压稳定度较低，纹波电压较高。若将二者巧妙地结合起来，把单片开关电源当作前级稳压器，再由线性集成稳压器进行二次稳压，即可扬长避短，实现优势互补，构成理想的高效、精密稳压电源。所配线性集成稳压器有以下三种方案：

（1）配7805系列三端固定式集成稳压器，其电路简单，成本低廉；

（2）配LM317型三端可调式集成稳压器，使输出

电压连续可调，并能进一步提高稳压性能；

（3）配LM2937（固定输出）、LM2991（可调输出）等型号的低压差稳压器，可使复合型开关电源的效率得到进一步提高。

采用两级稳压的复合型开关电源，其电压调整率和负载调整率均可达到±0.1％。

根据需要，还可为复合型开关电源增加欠压保护、过压保护、交流掉电保护、软起动等自动保护功能。

2.2复合型开关电源的设计示例

具有掉电保护功能的复合型开关电源的电路如图1所示。该电路利用一片TOP209型单片开关电源作前级稳压，再用LM2937型三端低压差稳压器作后级稳压。LM2937在额定负载下的输入－输出压差（UI－UO）≤0.6V，仅为LM7805的1/6～1/3，能显着降低稳压器的功耗，提高电源效率。LM2937的输出电压为5V，最大输出电流是0.5A。交流掉电保护电路由VT1、VT2、C7、R4～R6组成。其中，R5、R6和VT2用来检测交流电压，所设定的阈值电压须低于85V，现取70V。一旦UI<70V，VT2立即截止，直流电压就通过R4给C7充电。当C7两端电压高于达林顿管VT1的发射结总压降时，VT1就导通，使TOP209的控制端电压变成低电平。与此同时C5放电，将电源关断。正常情况下，UI>70V，因VT2导通，C7两端电压始终为0V，故该电路不起作用。不难看出，掉电后的供电时间与时间常数τ=R4·C7成正比。改变τ值即可设定供电时间。

图1一种具有掉电保护功能的复合型开关电源

图215V、2A精密恒压/恒流型开关电源的电路

这种开关电源适合作为节能型计算机（亦称“绿

色”PC机）的辅助电源。当交流掉电后，由辅助电源继续供电一段时间，使微机能将数据存储下来；当掉电时间超过设定时间时，就自动切断辅助电源。

3精密恒压／恒流型开关电源的电路设计

3.1精密恒压／恒流型开关电源的设计方案

精密恒压／恒流型单片开关电源是采用单片开关电源，配上低功耗双运放和可调式精密并联稳压器，组成电压控制环和电流控制环的。与晶体管构成的控制环相比（典型电路见参考文献2），它具有恒压与恒流准确度高、外围电路简单、电流检测电阻的阻值很小、功耗低、能提高电源效率等优点，其电源效率可达80％。此类电源适宜作为笔记本电脑、摄录像机的电池快速充电器。

3.2精密恒压／恒流型开关电源的设计示例

15V、2A精密恒压／恒流输出式开关电源的电路如图2所示。电路中共使用了4片集成电路：TOP214Y型单片开关电源（IC1），PC816A型线性光耦合器（IC2），可调式精密并联稳压器TL431C（IC3），低功耗双运放LM358（IC4，内部包括IC4a和IC4b两个运放）。该电路具有以下特点：

（1）利用IC4b、IC3、VD5和取样电阻R3、R4构成电压控制环；由IC4a、VD6和过流检测电阻R6组成电流控制环；

（2）电压控制环与电流控制环按照“逻辑或门”的原理工作，即在任一时刻，输出为高电平的环路起控制作用；

（3）增加了次级偏压绕组NSB给控制环路供电，次级偏压USB能自动跟随直流输入电压UI的变化，

图3精密恒压/恒流源的输出特性

图412V截流型开关电源的电路

图5截流型开关电源的输出特性

图615W恒功率型开关电源的电路

图7恒功率型开关电源的输出特性

使电源输出电压UO大幅度降低时仍具有恒流特性，仅当UO≤0.8V时才进入自动重起动状态；

（4）使用一片TOP214Y型单片开关电源，使额定输出功率达到30W；

（5）采用由运放构成的电流控制环时，能将电流检测电阻R6的阻值减小到0.1Ω，功耗降至0.4W，使电源效率得到提高；

（6）将反馈电压UFB的最大值提升到46V，这里选用PC816A型光耦合器，其U(BR)CEO=70V>40V。

正常情况下电压控制环起作用，开关电源工作在恒压区。当IO接近于2A时进入恒流区，此时电流控制环起作用。IC4a的同相输入端接电流检测信号UR6，反相输入端接分压器电压UFY。分压器是由R5、R8和TL431C构成的。IC4a在将UR6与UFY进行比较之后，输出误差信号Ur2，再通过VD5和R1变成电流信号，流入光耦中的LED，进而控制TOP214Y的占空比，使电源的输出电流IOH在恒流区内维持恒定。显然，VD5和VD6就相当于一个“或门”。若电流控制环输出为高电平，电压控制环输出低电平，则电源工作在恒流输出状态；反之，就工作在恒压输出状态。

精密恒压/恒流源的输出特性如图3所示。图中的实线和虚线分别对应于U=Umin=85VAC、U=Umax=265VAC两种情况。

4截流型开关电源的电路设计

4.1截流型开关电源的设计方案

截流型开关电源的特点是一旦发生过载，输出电流IO能随着输出电压UO的降低而迅速减小，即UO↓→IO↓，可对电机等负载起到保护作用。利用晶体管构成的正反馈式截流控制环，可实现上述功能，过载时将IO衰减到安全区域内。

4.2截流型开关电源的设计示例

12V截流型开关电源的电路如图4所示。该电路采用一片TOP202Y型单片开关电源。截流控制环由晶体管VT1、VT2、R1～R4、IC2构成，其电路简单，成本低廉。要求VT1和VT2的参数应具有良好的一致性，能构成镜像电流源。截流型开关电源的输出特性如图5所示。由图可见，UO?IO特性曲线可划分成3个工作区：恒压区、截流区、自动重起动区。令输出极限电流为ILM，下面对其输出特性进行分析。

（1）当IO<ILM时，VT2截止，UO处于恒压区，即UO=12V基本不变。此时VT1工作在饱和区，VT2呈截止状态，截流控制环不起作用，开关电源工作在稳压区。电路中，R1为电流检测电阻。VT1的接法比较特殊，因R2阻值很小，可视为集电极与基极短路，故VT1始终工作在饱和区，只是饱和深度及饱和压降US值可在一定范围内变化。此时IO较小，R1上的压降UR1较低，使VT2的发射结压降UBE2=UR1＋US<0.65V，VT2呈截止状态，相当于集电极开路，它对光耦反馈电路无分流作用。

2）当IO≈ILM时，截流控制环开始工作，并在正反馈过程中使IO随着UO的降低而迅速减小。此时UR1≈0.3V，US≈0.57V，由于VT2的发射结压降UBE2=UR1＋US>0.7V，使VT2立即导通，而VDZ2因UO的降低而退出稳压区变成截止状态。于是，光耦LED上的电流就通过VT2分流。由于VT2的导通电阻很小，因此IF迅速增大，令TOP202Y的IC↑，占空比D↓，IO↓，开关电源进入截流区。进一步分析可知，R3上的电流是与UO成正比的，随着UO的继续降低，IR3↓→US↑→UBE2↑→IF↑→IC↑→D↓→IO↓，这就形成了电流正反馈，其效果是让IO进一步减小，对负载起到截流保护作用。

（3）当UO≤1.5V时，由于VT2达到饱和状态，截流控制作用失效，改由LED的正向压降 UF=1.2V进行限流。在负载短路时，短路电流ISS≈2.2A。

5恒功率型开关电源的电路设计

5.1恒功率型开关电源的设计思想

恒功率型单片开关电源的特点是，当输出电压UO降低时，利用恒功率控制电路迫使输出电流IO增大，使二者乘积IO·UO不变，输出功率PO保持恒定。这种开关电源可作为高效、快速、安全的电池充电器，对笔记本电脑中的电池进行充电。恒功率输出特性近似为一条双曲线。

5.2恒功率型开关电源的设计示例

由TOP202Y构成的15V、15W恒功率型开关电源，电路如图6所示。当输出电压从15V（即100％·UO）降至7.5V（即50％·UO）时，恒功率准确度可达±10％。恒功率控制电路由VT1、VT2、VDZ3～VDZ5、R1～R7构成。VT1工作在饱和区。VT1和VT2应选参数一致性很好的3DK4B型开关管。R1为电流检测电阻，VT2用来监视R1上的压降。该电路具有温度补偿特性，能对VT1、VT2的偏压以及输出电压进行温度补偿。恒功率控制电路由5部分组成：

（1）恒流源电路（VDZ4、R7、R3），给偏压电路提供恒定的集电极电流IC1；

（2）带温度补偿的偏压电路（VT1、R2），其作用是给VT2提供偏置电压UB1，它的发射结压降UBE1与UBE2相等且具有相同的温度系数；

（3）电流检测电阻（R1）；

（4）电压补偿电路（VDZ2、R6、R4），可对VT2的发射结电压UBE2进行补偿；

（5）电压调节电路（IC2、VDZ2、R5），利用带稳压管的光耦反馈电路使UO在恒压区内保持恒定。

当IO较小时VT2截止，而VDZ2处于稳压区，开关电源工作在恒压输出方式下，UO=15V，此时恒功率控制电路不工作。设VT2的基极偏压为UB2，仅当UB2＋UR1=UBE2时，VT2才开始导通，而VDZ2立即截止，电路就从恒压控制迅速转入恒功率控制，并按下述正反馈过程UO↓→IO↑→UR1↑→IF↓→IC↓→D↑→IO↑，使PO保持不变。

恒功率型开关电源的输出特性如图7所示。从图中可见，当 UO=15V时IO=1.02A，PO1=15V×1.02A=15.3W；UO=7.5V时IO=2.07A，PO2=15.5W。显然，PO1≈PO2，这就是恒功率输出的特点。

参考文献

1PowerIntegrations公司产品手册，2000

2沙占友等.恒压／恒流输出式单片开关电源的设计原理.电源技术应用，2000(12)

3沙占友.低压差集成稳压器的应用.集成电路应用，2000(2)