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单片开关电源的基本原理

发布时间:2020-06-30 18:35:38 阅读: 来源:钢结构玻璃棉厂家

目前生产的单片开关电源主要有TOPSwitch、TOPSwitch-II、TinySwitch、TNY256、MC33370和TOPSwitch-EX六大系列;此外,还有L4960系列、L4970/L4970A系列单片开关式稳压器。共八大系列,80 余种型号。根据引出端的数量,可划分成三端、四端、五端、多端4种类型。下面以美国PI公司生产的 TOPSwitch系列的产品为例,介绍单片开关电源的基本原理和典型应用。

TOPSwitch系列单片开关电源的典型应用电路如图1所示。高频变压器在电路中具各能量存储、隔离输出 和电压变换3大功能。由图可见,高频变压器初级绕组Np的极性(同名端用黑点表示),恰好与次级绕组 Ns、反馈绕组NF的极性相反。这表明在TOPSwitch导通时,电能就以磁场能量形式存储在初级绕组中,此 时VD2截止。当TOPSwitch截止时,VD2导通,能量传输给次级,此即反激式开关电源的特点。图中,BR为 整流桥,CIN为输人端滤波电容。交流电压u经过整流滤波后得到直流高压UI,经过初级绕组加至 TOPSwitch的漏极上。鉴于在TOPSwitch关断时刻,由高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高压UI 和感应电压UOR上,可使功率开关管的漏极电压超过700V而损坏芯片,为此在初级绕组两端必须增加漏极 钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管(VDz1)、阻尼二极管(VD1)组成,VD1宜采用超快 恢复二极管(SRD)。VD2为次级整流管,COUT是输出端滤波电容。

图1 单片机开关电源典型应用电路

该电源采用配稳压管的光耦反馈电路。反馈绕组电压经过VD3,CF整流滤波后获得反馈电压UFB,经光耦 合器中的光敏三极管给TOPSwitch的控制端提供偏压。CT是控制端C的旁路电容。设稳压管VDz2的稳定电压 为Uz2,限流电阻R1,两端的压降为UR,光耦合器中LED发光二极管的正向电压降为UF,输出电压Uo由下式 设定

该电源的稳压原理简述如下:当由于某种原因(如交流电压升高或负载变轻)致使Uo升高时,因Uz2不变 ,故UF就随之升高,使LED的工作电流IF,增大,再通过光耦合器使TOPSwitch的控制端电流IC,增大。但 因TOPSwitch的输出占空比ε与IC,成反比,故ε减小,这就迫使Uo。降低,达到稳压目的。反之,Uo↓ →Uf↓→IF↓→IC↓→ε↑→Uo↑,同样起到稳压的作用。由此可见,反馈电路正是通过调节TOPSwitch 的占空比,使输出电压趋于稳定的。

1.单片开关电源的两种工作模式

单片开关电源由两种工作模式,一种是连续模式CUM(Continuous Mode),另一种是不连续模式DUM(Discontinuous Mode)。这两种模式的开关电流波形分别如图2(a)、(b)所示。由图可见,在连续模式下,初级开关电流是从一定幅度开始的,然后上升到峰值,再迅速回零。其开关电流波形呈梯形。这表明在连续模式下,存储在高频变压器的能量在每个开关周期内并未完全释放掉,所以下一开关周期具有一个初始能量。采用连续模式可减小初级峰值电流IP,和有效值电流IRMS,并降低芯片的功耗。但连续模式要求增大初级电感量LP,这会导致高频变压器体积增大。综上所述,连续模式适用于输出功率较小的TOPSwitch和尺寸较大的高频变压器。三端单片开关电源大多设计在连续模式。

不连续模式的开关电流则是从零开始上升到峰值,再降至零的。这意味着存储在高频变压器中的能量必须在每个开关周期内完全释放掉,其开关电流波形呈三角形。不连续模式下的IP,IRMS值较大,但所需的LP较小。因此,它适合采用输出功率较大的TOPSwitch,并配尺寸较小的高频变压器。

图2 两种模式的开关电流波形

2.反馈电路的4种基本类型

单片开关电源的电路可以千变万化,但其反馈电路只有4种基本类型:①基本反馈电路;②改进型反馈电路;③配稳压管的光耦反馈电路;④配TL43 1的精密光耦反馈电路。它们的简化电路分别如图3(a)~(d)所示。

图3 反馈电路的四种类型

图3(a)为基本反馈电路,其优点是电路简单、成本低廉,适于制作小型化、经济性开关电源;其缺点是稳压性能较差,电压调整率Sv=±1.5%~±2%,负载调整率SI≈±5%。

图3(b)为改进型反馈电路,只需增加一只稳压管VDz和电阻R1即可使负载调整率达到2%。VDz的稳定电压一般为22V,需相应增加反馈绕组的匝数,以获得较高的反馈电压UFB,满足电路的需要.

图3(c)是配稳压管的光耦反馈电路。由VDz提供参考电压Uz,当Uo发生波动时,在LED上可获得误差电压。因此,该电路相当于给TOPSwitch增加一个外部误差放大器,再与内部误差放大器配合使用,即可对Uo进行调整。这种反馈电路能使负载调整率达到±1%以下。

图3(d)是配TL43 I的精密光耦反馈电路,其电路较复杂,但稳压性能最佳。这里用TL431型可调式精密并联稳压器来代替稳压管,构成外部误差放大器,进而对叽进行精细调整,可使电压调整率和负载调整率均达到±0.2%,能与线性稳压电源相媲美。这种反馈电路适于构成精密开关电源。

在设计单片开关电源时,应根据实际情况来选择合适的反馈电路,才能达到规定的技术指标和经济指标。

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