詳解恒壓/恒流輸出式單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理

　　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。

　　恒壓/恒流輸出式開關(guān)電源的工作原理

　　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。

　　恒壓/恒流輸出式開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

　　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和光耦的電流傳輸比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?。NS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。