一种实用的精密复合式开关稳压电源的研制

2019-11-03 10:03:15

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供稿：网友

　　宋鑫欣，王　林，于海鹰，沈光地

　　（北京工业大学　北京100022）

　　摘　要：介绍一种双路输出的高效、精密、复合式开关稳压电源的设计方法。该电源既具有开关电源的高效，同时又具有线性稳压电源的稳压特性好的特点，因而是一种集开关电源与线性电源优点于一身的较为理想的实用化电源。

　　关键词：开关电源；复合；低压差线性稳压器；线性电源　

　　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

　　当前众多开关稳压电源，虽然体积小，效率高，但输出电压的纹波较大，尤其对于多路输出开关电源，通常不能同时保证多路输出的高稳定性。传统的线性稳压电源输出电压稳定性虽高，但缺点是电源效率低，还必须配备笨重的工频变压器。为此，本文介绍了一种双路输出的复合式开关稳压电源，该电源采用TOPSwitch器件作为前级稳压器，给低压差线性稳压器LT1528提供直流输入电压，然后利用低压差线性稳压器LT1528获得高质量的稳压输出。实验证明该电路具有良好的性能，有很高的实用性。

　　1　复合式开关电源的设计

　　复合式开关电源的电路构成框图如图1所示，该电源主要由TOPSwitch器件与低压差线性集成稳压器（LowDropoutRegulator）LT1528CT构成。

　　1．1　TOPSwitch器件

　　 TOPSwitch系列芯片是PowerIntergretion公司生产的开关电源专用集成电路。TOPSwitch-Ⅱ只有3个引出端，漏极D为主电源输入端、控制端C为控制信号输入端、源极S是电源公共端，也是控制电路的基准点。该芯片将脉宽调制PWM控制系统的全部功能集成到三端芯片中，内部结构功能框图如图2所示，包括脉宽调制器、功率开关场效应管MOSFET、自动偏置电路、护电路、高压启动电路和环路补偿电路等。使用该芯片设计的单端反激式开关电源，电路结构简洁、成本低、且性能非常可靠。

　　1．2　低压差线性集成稳压器LT1528

　　低压差集成稳压器是近年来问世的高效率线性稳压集成电路。传统的三端集成稳压器普遍采用电压控制型，为保证稳压效果，输入输出压差一般取2～4 V以上，否则不能正常工作。低压差稳压器采用电流控制型，并且选用低压降的晶体管作为内部调整管，能够把输入输出压差降低到0．6 V以下，大大提高了电源的转换效率。

　　LT1528是Linear Technology公司生产的一种最大输出电流为3A、具有反向输入保护、过流保护等多种保护功能的可调式低压差线性集成稳压器。图3给出了该器件的电压降与输出电流的关系曲线，由该曲线可以看出对应输出电流为1 A时，LT1528的输入输出压差仅为0．3 V，当电流增大到3 A时，压差也仅为0．6 V。因此LT1528自身具有很小的功耗，为此，选由该器件作为复合式开关稳压电源的线性稳压器。图4给出该芯片5-lead TO-220管脚封装结构示意图。其中VIN和OUTPUT分别为电压输入端和输出端，GND为公共端，SENSE和SHDN分别为调整端和控制端。LT1528的输出电压可调节范围为3.3-14V。该器件的典型应用电路如图5所示，其输出的电压值由式（1）决定，其中VSENSE=3.3V；在25℃时ISENSE=13.μA。

　　1．3　复合式开关电源电路的设计

　　图6所示的电路是该复合式开关电源的原理图。固定220 V交流（±15％）输入，双路输出电压＋5 V／1．5 A，－5 V／1．5 A，输出功率约为15 W。电路包括输入整流滤波、TOP222脉宽调制、高频变压器、电流反馈、低压差线性稳压、整流滤波输出等几部分。用到了IC1（TOP222），IC2光耦合器（PC817A），IC3，IC4（LT1528）四个集成芯片。交流电源经整流滤波后，产生一个大约310 V的直流电压加在变压器初级绕组的一端和TOP222的源极，变压器初级的另一端由TOP222中的高压MOSFET来驱动。VDZ1和VD1用来箝位因变压器漏感引起的前沿电压尖峰。变压器两组副边经整流滤波后分别产生±5．5 V的输R5，R6取值由式（1）确定。变压器反馈绕组两端电压经整流滤波得到TOP222需要的偏置电压。变压器第一路输出电压由齐纳二极管VDZ2和光耦中发光二极管取样，光耦的输出晶体管驱动TOP222的控制脚，通过控制TOP222控制端电流的大小，来调整占空比，从而达到稳压的目的。

　　在设计印制板时要注意，连接TOP222Y，C2高频变压器初级绕组的引线上有高频开关电流通过，因此上述引线应尽量短，以减小电磁干扰。TOPSwitch的源极必须采用单点接地法，即控制端旁路电容C12的负极、反馈电路的返回端、高压返回端应分开布线，最后在源极管脚处汇合。安全电容C13应通过宽而短的印制导线分别接至反馈绕组和次级绕组的返回端。

　　1．4　高频开关变压器的设计

　　在单端反激式开关电源中，高频开关变压器既是储能元件又是传递能量的主体，设计难度较大，是一个十分关键的环节。设计的主要参数包括初级电感量LP，变压器变比n，初、次级绕组匝数NP，NS以及反馈绕组匝数NF等。

　　1．4．1　选择恰当的磁芯

　　选用R2KDP锰锌铁氧体材料制成的EE22型铁氧体磁芯。R2KDP属于高频低功耗电源铁氧体材料，该材料在25℃时饱和磁感应强度Bs＝510 mT，在100℃时Bs＝400 mT。EE型磁芯具有价格低廉，磁损耗低，适应性强等优点。磁芯的截面积Ae与输出功率P0存在对应关系，当P0＝15 W左右时，通常选择Ae＝0．41 cm2的EE22型磁芯。

　　1．4．2　初级电感量LP的计算

　　当电路工作在电流临界连续状态时，初级电感量计算公式如式（2）：

　　其中：输入直流最小电压

最大导通时间TON＝Dmax／f；Dmax是设定的最大占空比，在220 V固定输入时，通常取Dmax＝0．4；开关频率f＝100 kHz；η 为预测效率值；Iip是初级峰值电流，其表达式为：

　　考虑到选择电流连续模式能提高多路输出开关电源中TOPSwitch的利用率，因此在上述LP计算值的基础上，适当增大LP值，有利于该电源工作在连续模式。

　　1．4．3　确定变压器各绕组匝数

　　（1）变压器变比的计算

　　当TOP222中的MOSFET关断时，储存在变压器初级中的能量开始向次级传递，次级两路绕组的电压VS1，VS2可表示为：

　　变压器次级电压与输出电压V0的关系为：　

　　其中LT1528输入、输出压差VDrop为0．5 V；变压器次级绕组压降VL为0．3 V；输出整流肖特基管压降VF为0．4 V。

　　变压器的变比n可表示为：

　　其中：VOR＝VIN×ton／toff是在TOP222关断期间，初级感应到的电压值。

　　（2）变压器初级及反馈绕组匝数的计算

　　其中：单端反激式变压器工作磁通密度ΔB一般取饱和磁通密度值BS的一半，即ΔB＝BS／2。

　　反馈绕组匝数的计算公式为：

　　1．4．4　变压器绕制时的注意事项

　　变压器结构对初级绕组的漏电感有很大影响，漏电感会导致MOSFET关断时产生感应电压。为减小变压器的漏感，可采用三明治绕法把副边夹在原边的中间，或在原边层与层之间加上胶布。另外变压器绕组的顶部互相之间应同轴，以便使耦合最强，减小漏电感。单端反激式变压器的磁芯，通常要加气隙来解决磁通复位的问题，不但可使变压器稳定正常工作，还能增大电源的输橱功率，减小变压器的高频磁芯损耗。

　　2　实验结果

　　在额定输入电压AC220 V下，当负载从0变化到额定值，实测电路的负载调整率为SI＝ΔV／VO＝0．96％。在额定负载下，该电源两路输出电压的纹波均在40 mV左右。输出纹波主要由变压器漏感导致的尖峰电压及输出整流管电压所产生，这可以通过优化PCB版的布局，选用反向恢复时间短的整流管等方法来抑制。

　　3　结语

　　本文利用TOP222和低压差线性稳压器LT1528器件研制了一种双路输出的复合式开关稳压电源，该电源具有体积小，效率高，输出电压非常稳定，以及负载调整率好的特点。实验表明该电源是一种性能良好的高精度稳压源。

　　参考文献

　　［1］沙占友．新型单片开关电源的设计与应用［M］．北京：电子工业出版社，2001．

　　［2］刘胜利．现代高频开关电源实用技术［M］．北京：电子工业出版社，2001．

　　［3］赵白令．用Topswitch芯片设计的反激式开关电源［J］．现代雷达，2003，（7）．

摘自现代电子技术

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