爱华网关键词：开关电源；脉宽调制；分立元件
引言
开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在各类电子产品中得到了广泛应用。随着半导体技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路不断出现，使电子设备的体积不断缩小，质量不断减轻。研发人员正致力于研制出效率更高、体积更小、质量更轻的开关电源，使之能够满足电子仪器和设备微型化的需要。为了满足这一需求，本文研制出一种体积更小(PCB板面积约为25.6cm2)、成本更低(整个电路都使用分立元件，没有使用集成芯片)的小功率(5W左右)开关电源。
图1 调宽式开关电源控制原理图
图2 开关电源电路框图
开关电源的基本工作原理
开关电源按控制方式分为调宽式和调频式两种，本设计中使用了调宽式控制方式。调宽式开关电源的控制原理如图1所示。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，直流平均电压值越高。
直流平均电压U0可由公式U0=(Um×T1)/T来计算。式中Um为矩形脉冲最大电压值，T为矩形脉冲周期，T1为矩形脉冲宽度。当Um与T不变时，直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可达到稳定电压的目的。
开关电源的电路原理框图如图2所示。交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成分的直流电压。该电压通过功率转换电路进入高频变压器，被转换成所需的特定电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、脉宽调制等电路构成。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。
图3 实用小功率开关电源电路
电源电路设计
为降低开关电源的制作成本，本设计全部采用分立元件。由于反激变换器电路简单且能高效地提供直流输出，在低压小功率、小体积的电源电路中特别常见，因此主电路采用带RCD钳位电路的反激变换器拓扑结构，电路如图3所示。
该电路输入220V交流电压，一端接2.2Ω电阻，一端经保险丝连接到由四个二极管组成的单相桥式整流电路。其中，电阻起保护作用，如果后面出现故障等导致过流，这个电阻将被烧断，从而避免引起更大的故障。另外，保险丝也进一步起到了保护电路的作用。
图4所示为经整流后的电压波形。
图4 经整流后的电压波形
C1为滤波电容，用于滤去整流输出电压中的纹波，通过C1滤波可使电压的波动大为减少。
耗散电阻R6、钳位电容C4和阻塞二极管D5组成了RCD缓冲电路，可有效保护开关功率管不受损坏。当开关管V2导通时，输入电压加在变压器绕组上，由于二极管反向偏置，阻止钳位电容的放电，所以Vc≈0。当开关管关断时，变压器漏感中的能量给开关管的集射极间电容和电路中的其他杂散电容充电，直到二极管导通，钳位电容电压逐渐上升，即集电极电压也逐渐上升，而且被钳位。在剩余时间里，随着电阻放电电流的减小，电容的电压会返回到原来值，多余的能量被电阻消耗。在稳态工作时，钳位电容的电压会自动调整，直到多余的能量消耗在电阻上。如果没有RCD缓冲电路，漏感中的能量将会在开关管关断瞬间转移到开关管的集射极间电容和电路中的其他杂散电容，此时，开关管将会承受较高的电应力，导致开关管失效。V2为13003D型开关管，耐压为400V，集电极最大电流为1.5A，集电极最大功耗为14W，用来控制原边绕组与电源之间的通、断。当原边绕组不停通断时，会在开关变压器中形成变化的磁场，从而在次级绕组中产生感应电压。本开关电源采用反激式变换器，效率高，线路也比较简单。其中R4为启动电阻，给开关管提供启动的基极电流。
变压器右边为次级绕组，经过一个二极管和一个极性电容完成对输出电压的二次整流和滤波。D10是一个稳压二极管，起到稳定输出电压的作用。U1为PC817型光电耦合器，作用是对输出电压进行采样检测并将电压的变化情况反馈到输入回路中，进行脉宽调制。R2为电流取样电阻，电流经取样后转换成电压(其值为电阻值乘上电流值)，这一电压经二极管D7后，加至三极管V1的基极上。当取样电压大于1.4V时，三极管导通，将开关管13003D的基极电压拉低，从而使集电极电流减小，这样就限制了开关的电流，防止因电流过大而烧毁(其实这是一个恒流结构，限制开关管的最大电流)。变压器左下方的绕组(取样绕组)的感应电压经整流二极管D8整流后在R1形成取样电压。为了分析方便，取三极管V1的发射极一端为地。这样，取样电压就是负值，并且输出电压越高时，取样电压越负。取样电压经过C2后，加至开关管13003D的基极。因为当输出电压越高时，取样电压就越负，开关管13003D的基极电位被拉低，这将导致开关管断开或推迟开关管的导通，从而控制能量的输入，也就控制了输出电压的升高，实现了稳压输出的功能。而电阻R3与串联的电容C3构成正反馈支路，从取样绕组中取出感应电压，加到开关管的基极上，以维持振荡。
图5 实用小功率开关电源PCB图
电路板的设计
在电路板设计时要注意以下几点：
1.PCB板布局时，应将电源线和地线单独引出，并使电源供给处汇集到一点；PCB布线时，主要信号线最好集中在PCB板中心，同时电源线应尽可能和地线隔开。
2.PCB板的电源线印制条应尽可能宽，以减小线阻抗，从而减小公共阻抗引起的干扰噪声。
3.在选择器件时应多选用贴片元件，并尽可能缩短元件的引脚长度，减小分布电感的影响。
4.电源端应尽可能靠近器件接入滤波电容，以缩短开关电流的流通途径。
本设计的开关电源PCB板如图5所示。
测试结果
PCB板的输入为220V交流电压，电网频率为50Hz(±10%)，输出直流电压为5V，输出额定电流为1A，最大输出功率为5W，电压调整率为0.7%，负载调整率为0.8%，输出纹波系数为1%，效率为85%。
电压调整率反映输出电压受输入电压波动的影响。设计中希望在电网电压波动较大时，电源的输出电压波动很小。测试时额定负载不变，电网电压变化10%，输出电压相对变化量为?U0/U0，经测试，本设计的电压调整率为0.7%。
负载调整率反映输出电压受负载的影响，也被称为输出稳压精度。设计中希望电源轻载和重载时，输出电压波动很小。测试时保持交流输入电压在额定值220V不变，改变负载值使之在额定值的10%~100%范围内变化，经计算，本设计的负载调整率为0.8%。
纹波是输出呈现的与输入频率及开关变换频率同步的分量。设计中在电源的输入与输出都采用了电容滤波，可以有效地降低纹波系数。经测试，本设计的纹波系数为1%。
从各项测试数据来看，本文设计的开关电源的性能指标与同类产品相比具有较大优越性。
结语
本设计为降低成本，全部采用分立元件；为减小体积，尽量采用贴片电阻和电容。本文研制出的开关电源功率小、成本低、体积小，在电子仪器和设备日益微型化的今天，这种开关电源具有很大的实用性。
参考文献
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2. 周志敏,周纪海,纪爱华.开关电源实用电路[M].北京:中国电力出版社,2006
3. 张乃国.电源技术[M].北京:中国电力出版社,1999
4. 赵同贺.开关电源设计技术与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2007
