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[導讀]1 引言開關電源一般由功率主回路、輔助電源和控制回路組成。功率主回路主要用來給用戶負載供電,而開關電源的輔助電源主要用來給功率主回路的控制電路、驅動電路或電源系統(tǒng)的監(jiān)控電路供電。輔助電源的設計不但影響到

1 引言

開關電源一般由功率主回路、輔助電源和控制回路組成。功率主回路主要用來給用戶負載供電,而開關電源的輔助電源主要用來給功率主回路的控制電路、驅動電路或電源系統(tǒng)的監(jiān)控電路供電。

輔助電源的設計不但影響到整個電源的體積、效率、穩(wěn)定性、可靠性和成本,而且還將影響到整個開關電源的設計策略。一個重要的原因就是隔離問題。例如在離線式開關電源中,如果其內部的輔助電源和功率主回路輸入共地,那么就需要用光耦或變壓器來對輸出電壓采樣信號進行隔離,見圖1。而如果是內部輔助電源和功率主電路輸出共地,則一般不需要對電壓采樣信號隔離,這時只需對驅動信號隔離。

圖1 輔助電源和輸入共地

2 開關電源輔助電源的特點及種類

由于所需輔助電源的功率一般較小,輔助電源應該力求簡單、可靠和小巧。根據輔助電源與功率主回路的關系,開關電源中的輔助電源可以分為兩大類:

(1)獨立型:輔助電源獨立于功率主回路。主要用于大功率或中功率電源系統(tǒng),比如在通訊電源、ATX電源中,需要電源正?;蚴⌒盘柣螂娫催h程控制的功能時,在功率主回路即使不工作時,輔助電源也要正常供電。下面是幾種常見的獨立型輔助電源設計方法。

第一種方法: 傳統(tǒng)的線性電源作為輔助電源。它是用普通的矽鋼片低頻變壓器降壓后,又經過四只二極管全波整流,經C5、C6平滑濾波后加到三端穩(wěn)壓器7815輸入端。電路見圖2:

圖 2 低頻變壓器構成的輔助電源

這種設計中,低頻變壓器的體積往往選的足夠大,以滿足各種安全規(guī)范中對絕緣和漏電特性的要求。但由于它的簡單、可靠和方便,以及完全的隔離特性,所以在大功率開關電源系統(tǒng)中,低頻變壓器不會影響到整個電源的尺寸和造價時,它將是一個不錯的選擇。

第二種方法:一種不用低頻變壓器降壓的簡易輔助電源。它的實用電路見圖4。用兩只無極性的高頻電容C6 、C7,直接從兩路220V(經過輸入濾波電路之后)電網電壓中取得低頻脈動電壓,并串聯兩只電阻R2、R3限流。然后經過四只二極管全波整流,最后再輸入集成穩(wěn)壓器7815,以提供所需電壓。IC輸入端并聯一只穩(wěn)壓二極管箝位,防止浪涌電壓損壞7815。

圖 3 一種不用低頻變壓器降壓的簡易輔助電源

第三種方法:由自激式開關變換器構成非常輕巧的輔助電源,可以方便地產生多路輔助電源。圖4是由一個自激式反激式變換器構成的輔助電源。

圖 4 一種自激式反激式高頻變換器構成的輔助電源

這個輔助電源適合于110/220Vac輸入。開始時由于通過R1、R2的基級驅動電流,Q1開始導通,繞組P2上的反饋電壓將加速Q1的開通過程。隨著Q1的導通,初級線圈P1上的電流將線性增加,而R3上的電流也線性增加,Q發(fā)射級電壓增加,導致R2上的電流減小,Q1開始關斷。由于P2上的反饋電壓方向,所以將加速Q1的關斷過程。在反激階段,繞組P3和D10把反激的大部分能量回饋到輸入,只有一小部分能量通過D11傳送到輸出。根據變壓器鐵芯選擇適當的初級線圈,使得在Q1開通階段儲存的能量至少是所需輔助輸出能量的3-4倍,這樣二極管D10在反激階段始終導通,次級電壓就完全由初級電壓和砸數比決定,這樣做的好處是易于設定輔助電源的輸出電壓。

第四種方法:用單片電源芯片,如Topswitch或Tinyswtich系列芯片,可以方便的做成高性能小功率的輔助電源。圖5是topswitch 芯片在單端反激式單片開關電源中的典型應用。

圖 5 Topswitch在單端反激式單片開關電源中的應用

Topwitch 器件集PWM信號控制電路及功率開關場效應管于一體,內部集成了自啟動電路,所以只要配以少量的外圍元器件,就可以構成一個電路結構簡潔、成本低、性能穩(wěn)定、制作及調試方便的單片開關電源,作為電源系統(tǒng)中的輔助電源。這種方法已得到廣泛應用。

(2)非獨立型:由主變換器高頻變壓器輸出的一部分構成輔助電源。主要用于中小功率電源系統(tǒng),有利于減小整個電源的體積,實現小型化,節(jié)約成本。特點是輔助電源與主變換器二者的工作狀態(tài)互相制約。如果輔助電源不給控制電路供電,主變換器將不工作。而當主電路不工作,輔助電路也隨之關閉。所以在電源的啟動階段需要一些方法給控制電路提供能量,然后過渡到正常的工作狀態(tài)。

第一種啟動方法:啟動時直接由直流輸入端提供起動電壓,如圖6。

圖6 啟動電壓由直流輸入線提供

這是一個由UC3842構成的反激式小型開關電源,它的輔助電源由主變換器變壓器一個繞組提供。在啟動階段,由直流輸入端經過電阻分壓后加到UC3842的供電端(7端),給電容C2充電,等到UC3842的7腳電壓超過16V時,芯片起振,PWM信號產生,變換器工作,輔助電源電壓開始建立。但由于限流電阻RIN的作用,有可能使得芯片7腳電壓降低至10V而使得芯片停止工作。之后主電路又通過RIN電阻給UC3842芯片供電,芯片工作。如此反復,直至芯片正常工作所需的輔助電源電壓建立后,電源才正常工作。

第二種啟動方法:脈沖發(fā)生電路構成啟動電路,如圖7所示。啟動時由D1、C4、R4、R5和Q組成的脈沖發(fā)生電路來驅動Mosfet功率管,主變換器工作,C6、C7上的電壓開始增加,直至輔助電源建立后,電源的控制芯片就開始工作。其產生的PWM信號通過脈沖變壓器T1驅動Mosfet,此時由于脈沖變壓器T1副邊上的電壓幅度增大,雙向觸發(fā)二極管DIAC關閉,脈沖發(fā)生電路停止工作,起動過程結束,整個電源開始正常工作。

圖7 脈沖發(fā)生電路構成啟動電路

3 開關電源中的輔助電源設計的原則

雖然輔助電源所需要輸出功率不大,但它是開關電源中的非常重要的組成部分,將影響到整個電源的性能。開關電源正向著輕、小、薄、高可靠、高穩(wěn)定、高效率和智能化的方向發(fā)展,應根據整個開關電源系統(tǒng)的規(guī)格要求來選擇合適的輔助電源系統(tǒng),首先在滿足可靠性的前提下,設計簡單、輕巧和經濟的輔助電源。

 

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