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交流恒壓/恒流輸出式開關(guān)電源

發(fā)布時(shí)間： 2016-07-13 13:45:52 關(guān)注量：1430

交流恒壓/恒流輸出式開關(guān)電源
恒壓/恒流輸出式單片開關(guān)電源可簡(jiǎn)稱為恒壓/恒流源。其特點(diǎn)是具有兩個(gè)控制環(huán)路，一個(gè)是電壓控制環(huán)，另一個(gè)為電流控制環(huán)。當(dāng)輸出電流較小時(shí)，電壓控制環(huán)起作用，具有穩(wěn)壓特性，它相當(dāng)于恒壓源；當(dāng)輸出電流接近或達(dá)到額定值時(shí)，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(jī)驅(qū)動(dòng)器。下面介紹一種低成本恒壓/恒流輸出式開關(guān)電源，其電流控制環(huán)是由晶體管構(gòu)成的，電路簡(jiǎn)單，成本低，易于制作。
交流恒壓/恒流輸出式開關(guān)電源
7.5V、 1A恒壓/恒流輸出式開關(guān)電源的電路如圖1所示。它采用一片TOP200Y型開關(guān)電源(IC1)，配PC817A型線性光耦合器(IC2)。 85V～256V交流輸入電壓u經(jīng)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(jí)繞組接TOP200Y的漏極。由VDZ1和VD1構(gòu)成的漏極箝位保護(hù)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(nèi)。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(fù)二極管。次級(jí)電壓經(jīng)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(jīng)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(bǔ)償電容并決定自動(dòng)重啟頻率。R2為反饋繞組的假負(fù)載，空載時(shí)能限制反饋電壓UFB不致升高。
該電源有兩個(gè)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(gòu)成的。其作用是當(dāng)輸出電流較小時(shí)令開關(guān)電源工作在恒壓輸出模式，此時(shí)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(cè)電阻R3、光耦I(lǐng)C2、電阻R4～R7、電容C8構(gòu)成。其中，R3專用于檢測(cè)輸出電流值。VT1采用2N4401型NPN硅管，國(guó)產(chǎn)代用型號(hào)為3DK4C；VT2則選2N4403型PNP硅管，可用國(guó)產(chǎn)3DK9C代換。R6、R5分別用于設(shè)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(bǔ)償電容，防止環(huán)路產(chǎn)生自激振蕩。在剛通電或自動(dòng)重新啟動(dòng)時(shí)，瞬態(tài)峰值電壓可使VT1導(dǎo)通，利用R7對(duì)其發(fā)射結(jié)電流進(jìn)行限制;R4的作用是將VT1的導(dǎo)通電流經(jīng)VT2旁路掉，使之不通過R1。電流控制環(huán)的啟動(dòng)過程如下：隨著IO的增大，當(dāng)IO接近于1A時(shí)，UR3↑→VT1導(dǎo)通→UR6↑→VT2導(dǎo)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(guān)電源就自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒流模式。C7為安全電容，能濾除由初、次級(jí)耦合電容產(chǎn)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(dāng)環(huán)境溫度范圍是0℃～50℃時(shí)，恒流輸出的準(zhǔn)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(diǎn)：
(1)當(dāng)u=85VAC或265VAC時(shí)，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(dāng)IO<0.90A時(shí)處于恒壓區(qū)，IO≈0。98A時(shí)位于恒流區(qū)，且UO隨著IO的略微增加而迅速降低；
(3)當(dāng)UO≤2V時(shí)，VT1和VT2已無法給光耦繼續(xù)提供足夠的工作電流，此時(shí)電流控制環(huán)不起作用，但初級(jí)電流仍受TOP200Y的最大極限電流 ILIMIT(max)的限制。這時(shí)，UR6↑，通過VT1和VT2使光耦工作電流迅速減小，強(qiáng)迫TOP200Y進(jìn)入自動(dòng)重新啟動(dòng)狀態(tài)。這表明，一旦電流控制環(huán)失控，立即從恒流模式轉(zhuǎn)入自動(dòng)重啟狀態(tài)，將IO拉下來，對(duì)芯片起保護(hù)作用。
交流恒壓/恒流輸出式開關(guān)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(shè)計(jì)
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(duì)應(yīng)于最大占空比Dmax)～6。5mA(對(duì)應(yīng)于最小占空比Dmin)，現(xiàn)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(guān)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(guān)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(shí)，UR1=0。146V。最后代入式(1)計(jì)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(shè)計(jì)
電流控制環(huán)由VT1、VT2、R1、R3～R7、C8和PC817A等構(gòu)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(rèn)為VT1的發(fā)射結(jié)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(jié)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(shù)，T為環(huán)境溫度(用熱力學(xué)溫度表示)，q是電子電量。當(dāng)TA=25℃時(shí)，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(duì)于小功率管，IS=4×10-14A。
因?yàn)榍耙亚蟪鯥R1=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(dǎo)出 UR6=UR5+UBE2=0.375V+0.662=1。037V。取R6=220Ω時(shí)，IR6=IC1=UR6/R6=4.71mA。下面就用此值來估算UBE1，進(jìn)而確定電流檢測(cè)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(biāo)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(jié)電壓UBE1的溫度系數(shù)αT≈-21mV/℃，當(dāng)環(huán)境溫度升高25℃時(shí)，IOH值降為
I'OH=UBE1-‖αT‖·T/R3
=0.668V-(2.1mV/℃)×25℃/0.68Ω=0.905A
恒流準(zhǔn)確度為
γ=(I'OH-IOH/IOH)·100%
=(0.905-0.982/0.982)·100%=-7.8%≈-8%
與設(shè)計(jì)指標(biāo)相吻合。
反饋電源的設(shè)計(jì)
反饋電源的設(shè)計(jì)主要包括兩項(xiàng)內(nèi)容：
(1)在恒流模式下計(jì)算反饋繞組的匝數(shù)NB。之所以按恒流模式計(jì)算NB值，是因?yàn)榇藭r(shí)UO和UFB都迅速降低(UO=UOmin=2V)，只有UFB足夠高時(shí)，才能確保恒流源正常工作。
(2)在恒壓模式下計(jì)算出反饋電壓額定值UFB。此時(shí)UO=7.5V，UFB也將達(dá)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(jù)。
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?qū)▔航怠S為次級(jí)匝數(shù)。從式(6)可解出
NB=(UFB+UF3/Uo+UF2+IoR3)·Ns (7)
在恒流模式下當(dāng)負(fù)載加重(即負(fù)載電阻減小)時(shí)，UO和UFB會(huì)自動(dòng)降低，以維持恒流輸出。為使開關(guān)電源從恒流模式轉(zhuǎn)換到自動(dòng)重啟狀態(tài)時(shí)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(jì)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(shí)，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(jì)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(shè)計(jì)高壓電池充電器時(shí)，必須選擇耐高壓的光耦合器。

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北京合康億盛變頻科技股份有限公司

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武漢中元華電科技股份有限公司

在我們決定與艾德杰電源合作后，他們派出技術(shù)骨干和我們的技術(shù)部門溝通，充分了解了我司的使用需求后立即準(zhǔn)備方案，待我們確認(rèn)方案后，艾德杰的工作人員馬上將此提上日程，在距預(yù)約交貨期還有5天的時(shí)候，就已將我司定制的電源送上門，安裝調(diào)試，產(chǎn)品使用至今，一切良好，非常感謝艾德杰的鼎力支持，不辭勞苦的幫我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)新產(chǎn)品，技術(shù)可靠，服務(wù)周到。
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中國(guó)中船重工集團(tuán)707所

我們公司的工程師只擅長(zhǎng)一部分工作，另一部分與電源有關(guān)的工作不是很擅長(zhǎng)，公司有個(gè)新項(xiàng)目需要他人來合伙開發(fā)，生產(chǎn)，一時(shí)半會(huì)兒找不到合作伙伴。網(wǎng)上找到了艾德杰，經(jīng)過實(shí)地考察，我們決定和艾德杰試著合作一次，整個(gè)合作過程，我們多次溝通，商量，他們的工程師技術(shù)好，經(jīng)驗(yàn)豐富，我們和他們一起探討，彼此的知識(shí)面都擴(kuò)大了，合作過程中設(shè)計(jì)到多次修改，他們的工程師半句怨言都沒有，合作的過程非常滿意，產(chǎn)品準(zhǔn)時(shí)交給我們使用，...
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北京鐵道機(jī)車研究所

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李明仕

湖北武漢人 1970年7月出生碩士學(xué)歷。從事電源設(shè)計(jì)研發(fā)工作30年，先后擔(dān)任多家電源公司的技術(shù)總監(jiān) 技術(shù)成果 1． 1996年獲武漢市科學(xué)技術(shù)研究成果證書武科成證字(96)第014號(hào) 登記號(hào)WK9601003 成果名稱:DTK系列開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源 2． 1996年武漢高創(chuàng)電子有限公司的電源項(xiàng)目獲得電源行業(yè)的第一個(gè)國(guó)家火炬計(jì)劃 3． 2000年武漢玉星電子有限責(zé)任公司<<電壓過零檢控軟開關(guān)電源>>項(xiàng)目獲科技部中小型企業(yè)創(chuàng)新基金無償資助,項(xiàng)目代號(hào)20004214054563 4.　電源方面各項(xiàng)專利近20項(xiàng)，其中發(fā)明專利2項(xiàng)。 5. 國(guó)內(nèi)電源期刊上發(fā)表多篇論文。

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沈錦飛

1955年出生，現(xiàn)任江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師。主要從事電力電子電路、裝置與電能質(zhì)量控制的研究和教學(xué)工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30多篇，其中EI檢索5篇，獲得教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)、江蘇省教學(xué)成果獎(jiǎng)、無錫市科技進(jìn)步獎(jiǎng)，多項(xiàng)發(fā)明專利，主編本科教材；被評(píng)為無錫市優(yōu)秀教師、市級(jí)先進(jìn)個(gè)人。是中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)會(huì)員、江蘇省電工協(xié)會(huì)自動(dòng)控制系統(tǒng)專委會(huì)委員、無錫市自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事、無錫市電機(jī)工程學(xué)會(huì)理事。

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顏文旭

1971 年出生，現(xiàn)任江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師。現(xiàn)主要從事電力電子技術(shù)及智能控制、機(jī)電一體化及過程控制等領(lǐng)域的研究和開發(fā)工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30篇（其中EI收錄6篇），獲專利12項(xiàng)，參加編制十二五國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，省青年科學(xué)基金項(xiàng)目，市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，主持方塊地毯自動(dòng)包裝生產(chǎn)線開發(fā)、2.0MW風(fēng)力發(fā)電變流器、10kV高壓固態(tài)軟起動(dòng)器、船舶壓載水物理強(qiáng)化處理核心技術(shù)...

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