摘要:本文簡單概述了寬調(diào)節(jié)電源的發(fā)展,提出了采用開關(guān)電源構(gòu)成的一種寬調(diào)節(jié)電源電路的結(jié)構(gòu)、原理及基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

概述

在電源應(yīng)用中,常常希望電源輸出電壓調(diào)節(jié)寬，或者輸入電壓可適應(yīng)很寬的范圍，或既有一定輸出電壓調(diào)節(jié)寬度，又能適應(yīng)很寬的輸入電壓范圍。通常這類電源稱為寬調(diào)節(jié)電源。在電源發(fā)展過程中，有多種方式可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，有的電路至今仍在使用。上世紀(jì)60年代開始，晶體管串聯(lián)方式的穩(wěn)壓電路已普遍使用，其缺點(diǎn)是串聯(lián)晶體管上的損耗比較大，當(dāng)輸出電壓要求寬調(diào)節(jié)時(shí),調(diào)整的串聯(lián)晶體管上壓降變化很大，勢(shì)必引起很大的功率損耗，降低電源效率，結(jié)構(gòu)上需要大的散熱器,增加了體積和重量。為了在輸出電壓調(diào)整時(shí)保持調(diào)整管壓降或?qū)⑺刂圃谛〉姆秶鷥?nèi)變化,不至產(chǎn)生過大的損耗，最簡單的辦法是改變變壓器抽頭，通過波段開關(guān)的選擇調(diào)整串聯(lián)穩(wěn)壓器輸入電壓,以保持小的調(diào)整管壓降，達(dá)到輸出寬調(diào)節(jié)的目的。但是這種辦法輸出電壓調(diào)節(jié)的不連續(xù)和波段開關(guān)的不可靠性是它的缺點(diǎn)。后來，隨著開關(guān)電源的發(fā)展,為了減少調(diào)整管上的損耗，采用降壓開關(guān)電路替代串聯(lián)穩(wěn)壓電路。這種方式的寬調(diào)節(jié)電源在上世紀(jì)60年代末70年代初形成產(chǎn)品,作為實(shí)驗(yàn)室常用電源。但它的缺點(diǎn)依舊存在。

與此同時(shí),串聯(lián)穩(wěn)壓電路加前置調(diào)節(jié)的電路開始應(yīng)用。常采用的前置電路是移相式可控整流電路。整體電路有兩個(gè)相關(guān)的控制電路。可控整流電路的反饋信號(hào)取自串聯(lián)穩(wěn)壓器的調(diào)整管兩端,它依據(jù)調(diào)整管兩端電壓變化來改變串聯(lián)穩(wěn)壓器的輸入電壓，這樣保證了串聯(lián)穩(wěn)壓器輸出大范圍變化時(shí),通過前置調(diào)節(jié)電路調(diào)整串聯(lián)穩(wěn)壓器輸入電壓，保持調(diào)整管上的電壓不變,并將損耗限制在最小范圍內(nèi)。這種方式的寬調(diào)節(jié)電源實(shí)現(xiàn)了連續(xù)調(diào)節(jié)，最大的優(yōu)點(diǎn)是保持了串聯(lián)調(diào)節(jié)電源紋波小和穩(wěn)定性高的特點(diǎn),至今還有大量應(yīng)用。其缺點(diǎn)是很難省去工頻變壓器而使體積和重量偏大，適合應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)室。

單級(jí)開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)寬調(diào)的限制

開關(guān)電源廣泛應(yīng)用以后,人們自然會(huì)想到開關(guān)電源是否可實(shí)現(xiàn)寬調(diào)節(jié)的目的。眾所周知，開關(guān)電源大多是采用恒工作頻率，pWM方式工作，即一周期內(nèi)控制功率管的導(dǎo)通比來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，導(dǎo)通比為:d=ton/(ton+toff)(1)

其中，ton和toff分別為一周中導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間，d<1。

對(duì)于降壓開關(guān)電路以及它演變的正激、半橋和全橋電路，其輸出均需應(yīng)用LC濾波電路,在理想條件下，輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系為:Vout=dVin(2)

Vout,Vin分別為輸出、輸入電壓,從式(2)可以看出d實(shí)際上決定了輸出電壓和輸入電壓的比,也反應(yīng)了輸出和輸入可調(diào)范圍的能力。

在實(shí)際開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中,因?yàn)橐紤]到電網(wǎng)的變化、負(fù)載變化以及負(fù)載變化引起輸入直流電壓變化等,在額定的情況下，d一般選擇在0.5~0.6；低輸入電壓、滿負(fù)載及輸出上調(diào)10%的情況下,d可能達(dá)到0.9；相反，高輸入電壓、空載，輸出電壓下調(diào)10%的情況下，d可能達(dá)到0.2~0.3。考慮必需的工作死區(qū),d不能選擇過大,d較小時(shí)工作時(shí)脈沖電流會(huì)增大。一般正激電路不可能達(dá)到輸出或輸入在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),通常在輸入電壓變化±20%，輸出電壓可調(diào)±10%的范圍內(nèi)，正激開關(guān)電源可以得到較好的工作點(diǎn)和性能。

反激式開關(guān)電路的寬調(diào)也受到d的限制。但從反激電路的原理上分析,輸出功率和電感變壓器一個(gè)周期內(nèi)存貯能量成正比,能量又與輸入電流成平方關(guān)系。與正激電路相比,相同的d變化可得到更多的輸出功率變化，獲得比正激電路更寬的調(diào)節(jié)范圍。因此小功率的反激電路常用于輸入100~240VAC可變的開關(guān)電路中,但是要求更大功率輸出時(shí),由于功率管脈沖電流大,變壓器效率低等原因，單端反激電路實(shí)現(xiàn)大功率輸出是比較困難的。

由上可知，單級(jí)開關(guān)電源的通導(dǎo)比不可能變化很大。所以，受導(dǎo)通比的限制，要實(shí)現(xiàn)寬調(diào)節(jié)是比較困難的。

二級(jí)單控開關(guān)電源的原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

如何來拓寬通導(dǎo)比的變化而實(shí)現(xiàn)寬調(diào)節(jié)，本文提出了二級(jí)單控的電路拓?fù)洌驁D如圖1所示，它采用二級(jí)主開關(guān)電路，前級(jí)一般可用降壓開關(guān)電路，后級(jí)可任意選擇單端、半橋或橋式電路，二級(jí)開關(guān)電路用同一個(gè)控制電路，也就是控制電路產(chǎn)生的脈沖調(diào)寬訊號(hào)分別控制兩級(jí)開關(guān)，因此兩級(jí)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度是相同的，這樣輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系為

(3)

由式(3)可知，兩級(jí)單控的電路拓?fù)洌斎牒洼敵龅淖兓蚫2成正比，也就是說和單級(jí)電路相比，同樣Δd變化可得到更大的輸入和輸出比，大大拓寬了調(diào)節(jié)范圍。

下面以前級(jí)為降壓開關(guān)，后級(jí)為半橋開關(guān)的電路為例(見圖2)，簡要地說明電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

設(shè)電源輸入電壓上限為Vin+、下限Vin-，輸出電壓上限為Vout+、下限Vout-，n為變壓器T的變比，Vd為輸出整流管壓降，Vl為線路壓降。

首先根據(jù)輸入下限、輸出上限和滿載，確定變壓器的變比n：

(4)

K為電路系數(shù)，半橋電路為2，其它電路為1，一般dmax可選擇0.9~0.95，單端可選擇0.45~0.48。

根據(jù)輸入電壓上限、輸出電壓下限計(jì)算d值：

(5)

一般希望dmin不小于0.2，因?yàn)閐在0.9~0.2的范圍內(nèi)開關(guān)電源的工作參數(shù)是比較好的。

校對(duì)空載時(shí)最小d值：

(6)

因?yàn)檩斎腚妷和ǔ２捎谜鳛V波得到，輕載濾波電壓會(huì)升高，Uin反映了整流濾波電路空載和負(fù)載的壓差，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果d值一般不小于0.08。

變壓器最大電壓的確定，以此確定變壓器參數(shù)。

首先算出額定情況的導(dǎo)通比dh

(7)

根據(jù)dh計(jì)算出額定工作情況的變壓器原邊工作電壓

(8)

根據(jù)VTh和n就可確定原幅邊匝數(shù)及計(jì)算變壓器和電路的其他參數(shù)。

設(shè)計(jì)舉例

以圖2電路為依據(jù)，設(shè)計(jì)最大輸出為500W的電路。輸入187~242VAC，輸出2~50VDC可調(diào)，電流為10A。計(jì)算步驟如下：

確定變壓器變比n：

設(shè)187VAC時(shí)經(jīng)整流濾波后得到直流為Vin-=180VDC，選擇dmax=0.9，Vd=1V，Vl=1V，

最小dmin計(jì)算:

設(shè)輸入電壓242VAC時(shí)經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓為280V，輸出電壓為2V。

空載時(shí)d值：

空載、輸入電壓Vin=242VAC時(shí)，經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓為320V，輸出2V。

確定變壓器的計(jì)算電壓:

首先確定額定工作時(shí)的導(dǎo)通比dh

根據(jù)dh計(jì)算出額定工作情況的變壓器原邊工作電壓

依據(jù)變壓器的匝比n和工作電壓VTh就可以計(jì)算變壓器的參數(shù)。

結(jié)語

從以上的實(shí)例計(jì)算中可以看到，設(shè)計(jì)電源的輸入從187~242VAC變化，輸出可調(diào)范圍為2V~50V，d值在0.2~0.9的范圍的變化，該電路設(shè)計(jì)可以保證電路各參數(shù)在比較好的狀態(tài)下工作，這樣的結(jié)果單級(jí)開關(guān)是不可能達(dá)到的，由此也證明了二級(jí)單控電路的結(jié)構(gòu)完全可以實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)節(jié)的要求，是一種相對(duì)簡單和實(shí)用的電路結(jié)構(gòu)。