特种集成开关电源的电路设计
特种集成开关电源的电路设计
摘要：详细阐述了四种新型特种集成开关电源的性能特点、电路设计方案及其应用领域。
关键词：特种集成开关电源复合型恒压／恒流型截流型恒功率型thecircuitdesignofintegrated
1引言
特种集成开关电源与传统的开关电源相比，具有电路新颖、功能奇特、性能先进、应用领域较为广泛等特点。特种集成开关电源主要包括以下四种类型：复合型开关电源、恒压／恒流型开关电源、截流输出型开关电源恒功率输出型开关电源。它们均采用topswitch或topswitch－ⅱ系列单片开关电源集成电路，再配上相应的外围电路（含控制环路）设计而成，具有不同的输出特性和应用领域，能满足不同用户的需要。
2复合型开关电源的电路设计
2.1复合型开关电源的设计方案
众所周知，线性集成稳压器的输出稳定度很高，纹波电压很小，但电源效率低，需使用笨重的工频变压器。而单片开关电源的效率很高，并且能省去工频变压器，但电压稳定度较低，纹波电压较高。若将二者巧妙地结合起来，把单片开关电源当作前级稳压器，再由线性集成稳压器进行二次稳压，即可扬长避短，实现优势互补，构成理想的高效、精密稳压电源。所配线性集成稳压器有以下三种方案：
（1）配7805系列三端固定式集成稳压器，其电路简单，成本低廉；
（2）配lm317型三端可调式集成稳压器，使输出
电压连续可调，并能进一步提高稳压性能；
（3）配lm2937（固定输出）、lm2991（可调输出）等型号的低压差稳压器，可使复合型开关电源的效率得到进一步提高。
采用两级稳压的复合型开关电源，其电压调整率和负载调整率均可达到±0.1％。
根据需要，还可为复合型开关电源增加欠压保护、过压保护、交流掉电保护、软起动等自动保护功能。
2.2复合型开关电源的设计示例
具有掉电保护功能的复合型开关电源的电路如图1所示。该电路利用一片top209型单片开关电源作前级稳压，再用lm2937型三端低压差稳压器作后级稳压。lm2937在额定负载下的输入－输出压差（ui－uo）≤0.6v，仅为lm7805的1/6～1/3，能显著降低稳压器的功耗，提高电源效率。lm2937的输出电压为5v，最大输出电流是0.5a。交流掉电保护电路由vt1、vt2、c7、r4～r6组成。其中，r5、r6和vt2用来检测交流电压，所设定的阈值电压须低于85v，现取70v。一旦ui70v，因vt2导通，c7两端电压始终为0v，故该电路不起作用。不难看出，掉电后的供电时间与时间常数τ=r4·c7成正比。改变τ值即可设定供电时间。
图1一种具有掉电保护功能的复合型开关电源
图215v、2a精密恒压/恒流型开关电源的电路
这种开关电源适合作为节能型计算机（亦称“绿
色”pc机）的辅助电源。当交流掉电后，由辅助电源继续供电一段时间，使微机能将数据存储下来；当掉电时间超过设定时间时，就自动切断辅助电源。
3精密恒压／恒流型开关电源的电路设计
3.1精密恒压／恒流型开关电源的设计方案
精密恒压／恒流型单片开关电源是采用单片开关电源，配上低功耗双运放和可调式精密并联稳压器，组成电压控制环和电流控制环的。与晶体管构成的控制环相比（典型电路见参考文献2），它具有恒压与恒流准确度高、外围电路简单、电流检测电阻的阻值很小、功耗低、能提高电源效率等优点，其电源效率可达80％。此类电源适宜作为笔记本电脑、摄录像机的电池快速充电器。
3.2精密恒压／恒流型开关电源的设计示例
15v、2a精密恒压／恒流输出式开关电源的电路如图2所示。电路中共使用了4片集成电路：top214y型单片开关电源（ic1），pc816a型线性光耦合器（ic2），可调式精密并联稳压器tl431c（ic3），低功耗双运放lm358（ic4，内部包括ic4a和ic4b两个运放）。该电路具有以下特点：
（1）利用ic4b、ic3、vd5和取样电阻r3、r4构成电压控制环；由ic4a、vd6和过流检测电阻r6组成电流控制环；
（2）电压控制环与电流控制环按照“逻辑或门”的原理工作，即在任一时刻，输出为高电平的环路起控制作用；
（3）增加了次级偏压绕组nsb给控制环路供电，次级偏压usb能自动跟随直流输入电压ui的变化，
图3精密恒压/恒流源的输出特性
图412v截流型开关电源的电路
图5截流型开关电源的输出特性
图615w恒功率型开关电源的电路
图7恒功率型开关电源的输出特性
使电源输出电压uo大幅度降低时仍具有恒流特性，仅当uo≤0.8v时才进入自动重起动状态；
（4）使用一片top214y型单片开关电源，使额定输出功率达到30w；
（5）采用由运放构成的电流控制环时，能将电流检测电阻r6的阻值减小到0.1ω，功耗降至0.4w，使电源效率得到提高；
（6）将反馈电压ufb的最大值提升到46v，这里选用pc816a型光耦合器，其u(br)ceo=70v>40v。
正常情况下电压控制环起作用，开关电源工作在恒压区。当io接近于2a时进入恒流区，此时电流控制环起作用。ic4a的同相输入端接电流检测信号ur6，反相输入端接分压器电压ufy。分压器是由r5、r8和tl431c构成的。ic4a在将ur6与ufy进行比较之后，输出误差信号ur2，再通过vd5和r1变成电流信号，流入光耦中的led，进而控制top214y的占空比，使电源的输出电流ioh在恒流区内维持恒定。显然，vd5和vd6就相当于一个“或门”。若电流控制环输出为高电平，电压控制环输出低电平，则电源工作在恒流输出状态；反之，就工作在恒压输出状态。
精密恒压/恒流源的输出特性如图3所示。图中的实线和虚线分别对应于u=umin=85vac、u=umax=265vac两种情况。
4截流型开关电源的电路设计
4.1截流型开关电源的设计方案
截流型开关电源的特点是一旦发生过载，输出电流io能随着输出电压uo的降低而迅速减小，即uo↓→io↓，可对电机等负载起到保护作用。利用晶体管构成的正反馈式截流控制环，可实现上述功能，过载时将io衰减到安全区域内。
4.2截流型开关电源的设计示例
12v截流型开关电源的电路如图4所示。该电路采用一片top202y型单片开关电源。截流控制环由晶体管vt1、vt2、r1～r4、ic2构成，其电路简单，成本低廉。要求vt1和vt2的参数应具有良好的一致性，能构成镜像电流源。截流型开关电源的输出特性如图5所示。由图可见，uo?io特性曲线可划分成3个工作区：恒压区、截流区、自动重起动区。令输出极限电流为ilm，下面对其输出特性进行分析。
（1）当io
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