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交流恒壓/恒流輸出式開關電源

發(fā)布時間： 2016-07-13 13:45:52 關注量：1411

交流恒壓/恒流輸出式開關電源
恒壓/恒流輸出式單片開關電源可簡稱為恒壓/恒流源。其特點是具有兩個控制環(huán)路，一個是電壓控制環(huán)，另一個為電流控制環(huán)。當輸出電流較小時，電壓控制環(huán)起作用，具有穩(wěn)壓特性，它相當于恒壓源；當輸出電流接近或達到額定值時，通過電流控制環(huán)使IO維持恒定，它又變成恒流源。這種電源特別適用于電池充電器和特種電機驅動器。下面介紹一種低成本恒壓/恒流輸出式開關電源，其電流控制環(huán)是由晶體管構成的，電路簡單，成本低，易于制作。
交流恒壓/恒流輸出式開關電源
7.5V、 1A恒壓/恒流輸出式開關電源的電路如圖1所示。它采用一片TOP200Y型開關電源(IC1)，配PC817A型線性光耦合器(IC2)。 85V～256V交流輸入電壓u經過EMI濾波器L2、C6)、整流橋(BR)和輸入濾波電容(C1)，得到大約為82V～375V的直流高壓UI，再通過初級繞組接TOP200Y的漏極。由VDZ1和VD1構成的漏極箝位保護電路，將高頻變壓器漏感形成的尖峰電壓限定在安全范圍之內。VDZ1采用 BZY97 C200型瞬態(tài)電壓抑制器，其箝位電壓UB=200V。VD1選用UF4005型超快恢復二極管。次級電壓經過VD2、C2整流濾波后，再通過L1、C3濾波，獲得+7.5V輸出。VD2采用3A/70V的肖特基二極管。反饋繞組的輸出電壓經過VD3、C4整流濾波后，得到反饋電壓 UFB=26V，給光敏三極管提供偏壓。C5為旁路電容，兼作頻率補償電容并決定自動重啟頻率。R2為反饋繞組的假負載，空載時能限制反饋電壓UFB不致升高。
該電源有兩個控制環(huán)路。電壓控制環(huán)是由1N5234B型62V穩(wěn)壓管(VDZ2)和光耦合器PC817A(IC2)構成的。其作用是當輸出電流較小時令開關電源工作在恒壓輸出模式，此時VDZ2上有電流通過，輸出電壓由VDZ2的穩(wěn)壓值(UZ2)和光耦中LED的正向壓降(UF)所確定。電流控制環(huán)則由晶體管VT1和VT2、電流檢測電阻R3、光耦IC2、電阻R4～R7、電容C8構成。其中，R3專用于檢測輸出電流值。VT1采用2N4401型NPN硅管，國產代用型號為3DK4C；VT2則選2N4403型PNP硅管，可用國產3DK9C代換。R6、R5分別用于設定VT1、VT2的集電極電流值 IC1、IC2。R5還決定電流控制環(huán)的直流增益。C8為頻率補償電容，防止環(huán)路產生自激振蕩。在剛通電或自動重新啟動時，瞬態(tài)峰值電壓可使VT1導通，利用R7對其發(fā)射結電流進行限制;R4的作用是將VT1的導通電流經VT2旁路掉，使之不通過R1。電流控制環(huán)的啟動過程如下：隨著IO的增大，當IO接近于1A時，UR3↑→VT1導通→UR6↑→VT2導通，由VT2的集電極給光耦提供電流，迫使UO↓。由UO降低，VDZ2不能被反向擊穿，其上也不再有電流通過，因此電壓控制環(huán)開路，開關電源就自動轉入恒流模式。C7為安全電容，能濾除由初、次級耦合電容產生的共模干擾。
該電源既可工作在7.5V穩(wěn)壓輸出狀態(tài)，又能在1A的受控電流下工作。當環(huán)境溫度范圍是0℃～50℃時，恒流輸出的準確度約為±8%。
該電源的輸出電壓-輸出電流(U0-I0)特性如圖2所示。由圖可見，它具有以下顯著特點：
(1)當u=85VAC或265VAC時，特性曲線變化很小，這表明輸出特性基本不受交流輸入電壓變化的影響；
(2)當IO<0.90A時處于恒壓區(qū)，IO≈0。98A時位于恒流區(qū)，且UO隨著IO的略微增加而迅速降低；
(3)當UO≤2V時，VT1和VT2已無法給光耦繼續(xù)提供足夠的工作電流，此時電流控制環(huán)不起作用，但初級電流仍受TOP200Y的最大極限電流 ILIMIT(max)的限制。這時，UR6↑，通過VT1和VT2使光耦工作電流迅速減小，強迫TOP200Y進入自動重新啟動狀態(tài)。這表明，一旦電流控制環(huán)失控，立即從恒流模式轉入自動重啟狀態(tài)，將IO拉下來，對芯片起保護作用。
交流恒壓/恒流輸出式開關電源
電壓及電流控制環(huán)的單元電路如圖3所示。
1、電壓控制環(huán)的設計
恒壓源的輸出電壓由下式確定：
UO=UZ2+UF+UR1=UZ2+UF+IR1·R1(1)
式中，UZ2=6。2V，UF=1。2(典型值)，需要確定的只是R1上的壓降UR1。令R1上的電流為IR1，VT2的集電極電流為IC2，光耦輸入電流 (即LED工作電流)為IF，顯然IR1=IC2=IF，并且它們隨u、IO和光耦的電流輸比CTR值而變化。TOP200Y的控制端電流IC變化范圍是2.5mA(對應于最大占空比Dmax)～6。5mA(對應于最小占空比Dmin)，現取中間值IC=4.5mA。因IC是從光敏三極管的發(fā)射極流入控制端的，故有關系式
IR1=Ic/CTR (2)
在IC和CTR值確定之后，很容易求出IR1。單片開關電源須采用線性光耦合器，要求CTR=80%～160%，可取中間值120%。將IC=4。5mA，CTR=120%代入式(2)得出，IR1=3.75mA。令 R1=39Ω時，UR1=0。146V。最后代入式(1)計算出
UO=UZ2+UF+UR1=6.2V+1.2V+0.146V=7.546V≈7.5V
2、電流控制環(huán)的設計
電流控制環(huán)由VT1、VT2、R1、R3～R7、C8和PC817A等構成。下面需最終算出恒定輸出電流IOH的期望值。圖3中，R7為VT1的基極偏置電阻，因基極電流很小，而R3上的電流很大，故可認為VT1的發(fā)射結壓降UBEI全部降落在R3上。則
IOH=UBE1/R3 (3)
利用下面二式可以估算出VT1、VT2的發(fā)射結壓降：
UBE1=(kT/q)·In(Ic1/Is) (4)
UBE2=(kTq)·In(Ic2/Is) (5)
式中，k為波爾茲曼常數，T為環(huán)境溫度(用熱力學溫度表示)，q是電子電量。當TA=25℃時，T=298K，kT/q=0。0262V。IC1、IC1分別為VT1、VT2的集電極電流。IS為晶體管的反向飽和電流，對于小功率管，IS=4×10-14A。
因為前已求出IR1=IF=IC2=3.75mA，所以UBE2=(kT/q)In(Ic2/Is)
=0.0262In(3.75mA/4×10 -14A)
=0.662V
又因IE2≈IC2，故UR5=IC2R5=3.75mA×100Ω=0。375V，由此推導出 UR6=UR5+UBE2=0.375V+0.662=1。037V。取R6=220Ω時，IR6=IC1=UR6/R6=4.71mA。下面就用此值來估算UBE1，進而確定電流檢測電阻R3的阻值：
UBE1=0。0262In(4。71mA/4×10 -14A)=0。668
R3=IBE1/IOH=0。668V/1。0A=0。668Ω
與之最接近的標稱阻值為0.68Ω。代入式(3)可求得
IOH=0.668V/0。68Ω=0.982
考慮到VT1的發(fā)射結電壓UBE1的溫度系數αT≈-21mV/℃，當環(huán)境溫度升高25℃時，IOH值降為
I'OH=UBE1-‖αT‖·T/R3
=0.668V-(2.1mV/℃)×25℃/0.68Ω=0.905A
恒流準確度為
γ=(I'OH-IOH/IOH)·100%
=(0.905-0.982/0.982)·100%=-7.8%≈-8%
與設計指標相吻合。
反饋電源的設計
反饋電源的設計主要包括兩項內容：
(1)在恒流模式下計算反饋繞組的匝數NB。之所以按恒流模式計算NB值，是因為此時UO和UFB都迅速降低(UO=UOmin=2V)，只有UFB足夠高時，才能確保恒流源正常工作。
(2)在恒壓模式下計算出反饋電壓額定值UFB。此時UO=7.5V，UFB也將達到最大值，由此求得UFB值，能為選擇光耦合器的耐壓值提供依據。
反饋電壓UFB由下式確定：
UFB=(Uo+UF2+IoR3)·NB/Ns-UF3 (6)
式中，UF2和UF3分別為VD2、VD3的正向導通壓降。NS為次級匝數。從式(6)可解出
NB=(UFB+UF3/Uo+UF2+IoR3)·Ns (7)
在恒流模式下當負載加重(即負載電阻減小)時，UO和UFB會自動降低，以維持恒流輸出。為使開關電源從恒流模式轉換到自動重啟狀態(tài)時仍能給 TOP200Y提供合適的偏壓，要求UFB至少比恒流模式下控制電壓的最大值UCmax高出3V。這里假定UCmax=6V，故取UFB=9V。將 UFB=9V、UO=UCmin=2V、UF2=0.6V、UF3=1V、IO=IOH=0.982A、R3=0.68Ω、NS=12匝一并代入式 (7)，計算出NB=36.7匝≈37匝(取整)。
在恒壓模式下，UO=7.5V，最大輸出電流IO=0。95A，再代入式(6)求得，UFB=26V，此即反饋電壓的額定值。選擇光耦合器時，光敏三極管的反向擊穿電壓必須大于此值，即U(BR)CEO>26V。常用線性光耦的 U(BR)CEO=30V～90V。計算光敏三極管反向工作電壓UIC2的公式為
UIC2=UFB-UCmin (8)
式中，UCmin為控制端電壓的最小值(5.5V)。不難算出，UIC2=20.5V。這里采用PC817A型光耦合器，其U(BR)CEO=35V>20.5V，完全能滿足要求。但在設計高壓電池充電器時，必須選擇耐高壓的光耦合器。

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1955年出生，現任江南大學物聯(lián)網學院教授、碩士生導師。主要從事電力電子電路、裝置與電能質量控制的研究和教學工作，發(fā)表學術論文30多篇，其中EI檢索5篇，獲得教育部科技進步獎、江蘇省教學成果獎、無錫市科技進步獎，多項發(fā)明專利，主編本科教材；被評為無錫市優(yōu)秀教師、市級先進個人。是中國自動化學會會員、江蘇省電工協(xié)會自動控制系統(tǒng)專委會委員、無錫市自動化學會理事、無錫市電機工程學會理事。

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