電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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0引言
開關電源是一種利用開關功率器件并通過功率變換技術而制成的直流穩壓電源。它具有體積小、重量輕、效率高、對電網電壓及頻率的變化適應性強的特點。開關電源又被稱為高效節能電源，內部電路工作在高頻開關狀態，自身消耗的能量很低，一般電源效率可達80%以上，比一般線性穩壓電源提高一倍。
開關電源的主電路拓撲有很多種，從DC/DC變換輸入與輸出間有無變壓器隔離，開關電源分為有變壓器隔離和無變壓器隔離，每類又有幾種拓撲，即Buck(降壓型)、Boost(升壓型)、Buck-Boost(升壓-降壓型)、Cuk(串聯式)及Sepic(并聯式)等;按激勵方式分，有自激式和它激式;按控制種類包括pWF(調頻式)、pWM(調寬式)、pAM(調幅式)和RSM(諧振式)4種;按能量傳遞方式有繼續模式和不繼續模式。用的最多的是調寬式變換器。調寬式變換器有以下幾種:正激式(Forward)、反激式(Feedback)、半橋式(HalfBridgeMode)、全橋式(FullBridgeMode)及推挽式(pushDrawMode)等。若按開關管的開關條件可分為硬開關(Hardswitching)和軟開關(Softswitching)兩種。依據對開關電源的各種拓撲和控制方式的技術要求，工程實際的實現難易，電器性能及成本等指標的總結，本文選用有變壓器隔離的自激型反激式拓撲來實現這款多路輸出高精度的開關電源。
1開關電源的原理
多路輸出高精度的開關電源原理如圖1所示。
圖1開關電源原理圖
一般開關電源由圖1中所示四部分組成。輸入電路緊要由防雷、濾波、浪涌電流抑制、整流電路等構成。
用途是把輸入電網交流電源轉化為符合電源輸入要求的直流電源。變換電路含開關電路、變壓器及RCD吸收電路等，是開關電源能量變換的主通道。控制電路含取樣電路，本論文采用大阻值電阻分壓取樣，含基準電源，此處用TL431出現2。5V基準電源。此外還有誤差放大及脈沖驅動電路，取樣的誤差信號經光耦線性放大誤差信號同時反饋出現驅動開關管的矩形脈沖，達到調節輸出電壓的目的。輸出電路蘊含整流、濾波，把輸出電壓整流成脈動直流，并平滑成低紋波直流電壓。本論文實現的電源，具有設計簡單，體積小，效率高，紋波小及適用范圍廣的優勢。
2開關電源的設計與實現
多路輸出高精度的開關電源的緊要設計要求如下:
輸入電壓:AC132V～264V
輸入頻率:50/60Hz
輸出四路電壓:U124V/0.5A、U2-9V/0.8A、
U39V/0.8A、U45V/3A
輸出功率:40W
紋波電壓:≤100mV
負載調整率:≤3%.
2.1設計原理
圖2是自激式多路輸出穩壓開關電源的原理圖。
圖中X1_C1、X1_C2、Y_C1、Y_C1及L組成EMI電路，用來濾除電網中的共模差模信號，同時戒備開關電源對電網造成污染。L為共模扼流圈，共模扼流圈是開關電源、變頻器、UpS電源等設備中的一個緊要部分。當工作電流流過兩個繞向相反的線圈時，出現兩個相互抵消的磁場，倘若有共模干擾信號流過線圈時，線圈對共模信號即呈現出高阻抗，出現很強的阻尼效果，達到衰減干擾信號用途。X1_C1、X1_C2、Y_C1及Y_C2為安規電容，其中X1_C1與X1_C2為X安規電容，Y_C1和Y_C2為Y安規電容，它們用在電源濾波器里，與L起到電源濾波用途，分別對共模，差模工擾起濾波用途。安規電容的特性是電容器失效后，不會導致電擊穿，不危及人身安全。RV為壓敏電阻，具有防雷用途，也可用TVS(瞬態電壓抑制器)，由于壓敏電阻具有良好的非線性特性、通電流大、殘壓水平低、動作快和無續流等特點，被廣泛用于電子設備防雷。
開關電源系統壓敏電阻相當于D級防雷器，關于220V線路，壓敏電阻的選取為，220×1.4×1.4=430V，所以壓敏電阻選型為470V。RT為熱敏電阻，開機時，220V交流電經過整流后對大電容充電，而電容的特性是瞬間充電電流為最大，從而對前邊的橋和保險絲帶來沖擊，容易造成器件上電時損壞，為了提高電源設計的安全系數，常在保險之后加入電阻進行限流，電阻越大時，雖然限流效果好，但是電阻消耗的電能也是很大的，開關電源啟動后，限流電阻已沒有用途，反而浪費電力。為了達到較好限流效果而又省電，今朝的開關電源常常采用負溫度熱敏電阻作限流使用，吸收浪涌電流。負溫度熱敏電阻的特性是，溫度越高，電阻越小。為了減小電源體積及復雜度，此處戒備了使用繼電器等組成的防浪涌電路，經過實驗，達到了非常好的效果。變壓器T，RCD(R2，C1，D1)吸收電路及開關管構成了此電源的能量轉換電路，本電路采用單端反激，是一種比較成熟的電源變換電路，變壓器既作為隔離器件，又作為儲能器件。此變壓器采用EI骨架，初級線圈電感量在1.2～1.3mH之間，在繞制變壓器時，自激繞組要靠外圈，初級繞組分兩組重疊，一組在內，一組在外，可戒備磁通飽和影響電源效率。此變壓器屬于常規變壓器，不再多述，開關管的選取要留意漏源級的耐壓，最大工作電流，導通電阻，耗散功率及一些開關時間等。RCD吸收電路的功能是吸收因變壓器初級繞組在工作時出現的自感電勢，戒備在開關管集電極截止瞬間出現過高的反峰高電壓損壞開關管而設的。開關管工作時一直處于導通與截止，循環工作，所以吸收回路一直是有電流通過的，這個電流的大小隨開關電源的功率大小而不同，使得吸收回路的元器件取值也不相同，RCD吸收電路中的R值如過小，就會降低開關電源的效率。然而，如R值過大，MOS管就存在著被擊穿的危險。本電路選用10kΩ/2W，電容選用0.01μF/1kV，D1選用耐壓1kV的HER107。輸出電路緊要蘊含整流濾波，三端穩壓器及假電阻等。選用適宜的濾波電容及假電阻可減小電源輸出紋波和提高電源效率。
圖2自激式多路輸出穩壓開關電源原理圖
圖2中光耦器件pC817，TL431及框中自激電路組成了本電源的控制電路。R16、R17是取樣電阻，TL431為可調試精密并聯穩壓器，通過改變電阻R16和R17的分壓值，可小范圍改變輸出電壓值。R15和C20為TL431的頻率補償電路，可以提高TL43l的瞬態頻率應和。有關反饋回路的設計，實際上就是確定R13、R14的阻值及選定適宜的光耦合器件，首先要選定線性度好的光耦合器件，因為這樣可以把輸出線性的反應到自激電路，可以由自激電路出現線性變化的脈沖，從而線性的反比例控制開關管的截止與導通。而目前國內常用的4N25系列光耦屬于非線性光耦合器，不宜采用。其次要留意光耦合器件的CTR(電流傳輸比)值。使用光電耦合器緊要是為了供應隔離，同時又能將輸出的變化線性的反應在自激控制電路中，容易線性的控制開關管的占空比。光耦合器的CTR的準許范圍是50%～200%，這是因為當CTR200%，在啟動電路或者當負載發生突變時，有可能影響正常輸出。pC817的CTR線性范圍為80%～160%，能夠較好地滿足反饋回路的設計要求。確定好光耦后，就要確定R13、R14，要留意的是，在選擇電阻時非得保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1mA。R13為pC817的外部限流電阻。實際上除了限流保護用途外，它對控制回路的增益也具有緊要影響。當R13改變時，會影響到光耦的輸入電流，然后影響光耦的輸出電流，進而影響開關管的占空比，也就相當于改變了控制回路的電流放大倍數。此電路中R13取100Ω，在光耦輸入端和R13上并聯R14是為了在光耦輸入電流接近于0時，為了保證TL431陰極不低于1mA的工作電流而設置的。
2.2電源反饋電路原理
圖2中方框圖是自激電路，是本論文的核心，是電源的脈沖生成及控制部分。三極管工作于開關狀態，開通與截止的時間受pC817輸出端電流和取樣電阻R7的影響。用示波器可觀察到圖2方框圖中穩壓管，三極管，取樣電阻都工作于矩形脈沖下。下面簡要分解一下反饋回路實現穩壓的工作過程。當輸出電壓Uo發生波動時，通過取樣電阻R16、R17分壓后，就使TL431上的光耦輸入電流If出現相應的變化，進而使pC817中輸出電流Ic改變，Ic的改變使三極管基極的電流Ib改變，進而改變了基極電壓Ub，改變了三極管的導通時間，從而改變了開關管的導通時間，即占空比D，使Uo出現了相反的變化，以保持Uo的穩定。上述穩壓過程可歸納為:Uo↑→If↑→Ic↑→Ib↑→Ub↑→D↓→Uo↓。如此一個循環后Uo下降，使電源達到穩定。
開關管電壓波形如圖3。
圖3開關管波形圖
圖3是輸入AC220V，輸出空載、半載及全載時，開關管漏極和源級兩點的輸出波形圖，示波器為10倍衰減，圖形顯示縱坐標為5V/div，橫坐標為2μs/div。
可見開關頻率隨負載的大小而反比例變化。
3結束語
依據上述原理，進行了電源設計并制作了樣機，調試后性能穩定。如圖3是電源輸入AC220V，開關管漏源級在電源空載、半載及全載時的波形。表1是在空載、半載及全載時所測的四路輸出電壓值。
表1四路輸出實測結果
此電源電路簡單，自激電路設計新穎，所用元件少，效率達到82%以上，紋波電壓90mV，因此完全符合設計要求。此外開關管占空比與輸入交流電壓成正比，與頻率成反比。當電壓從低調到AC220V時，從示波器看開關管漏源極波形會發現開關頻率從不到100kHz上升至電源空載時圖3中a圖所示的電源空載頻率300kHz。當電源工作于設計要求的電壓時，負載不隨輸入電壓變化，再從示波器看開關管漏源極波形時會發現，輸入電壓不變的時候，開關管的工作頻率與負載大小成反比。因而此電源能夠適應輸入與輸出寬范圍變化的工作環境。由于此電源工作于幾百千赫茲的頻率，效率比較高，所以要求開關管用高頻率開關管。此電源還可稍做修改，將TL431改為TLV431，再把R16、R17換個阻值，其它無須更改即可將輸出5V/3A改為3。3V/4A輸出，也可將±9V變壓器繞組新增2圈或4圈，分別將三端穩壓器改為7812與7912、7815與7915，這樣可輸出±12V，±15V的電壓，此時電流不超0。6A。此電源使用范圍廣，輸出電壓精度卻不低。
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