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  • 2017-01-09 16:56
主题:  开关电源适配器的设计与制作要从主电路开始
开关电源适配器的设计与制作要从主电路开始,其中功率变换电路是开关电源适配器的核心。功率变换电路的结构也称开关电源拓扑结构,该结构有多种类型。拓扑结构也决定了与之配套的PWM控制器和输出整流/滤波电路。下面介绍开关电源适配器设计与制作的一般流程。 


1. 确定电路的结构 

无论是AC/DC开关电源还是DC/DC开关电源,其核心都是DC/DC变换器。因此,开关电源适配器的电路结构就是指DC/DC变换器的结构。开关电源中常用的DC/DC变换器拓扑结构如下: 
a) 降压式变换器(Buck Converter),亦称降压式稳压器。 
b) 升压式变换器(Boost Converter),亦称升压式稳压器。 
c) 反激式(亦称回扫式)变换器(Flyback Converter)。 
d) 正激式变换器(Forward Converter)。 
e) 半桥式变换器(Half Bridge Converter)。 
f) 全桥式变换器(Full Bridge Converter)。 
g) 推挽式变换器(Push-pull Converter)。 


降压式变换器和升压式变换器主要用于输入、输出不需要隔离的DC/DC开关电源中;反激式变换器主要用于输入、输出需要隔离的小功率AC/DC或DC/DC开关电源中;正激式变换器主要用于输入、输出需要隔离的较大功率AC/DC或DC/DC开关电源中;半桥式变换器和全桥式变换器主要用于输入、输出需要隔离的大功率AC/DC或DC/DC开关电源中,其中全桥式变换器能够提供比半桥式变换器更大的输出功率;推挽式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较低输入电压的DC/DC或DC/AC开关电源中。 


降压式变换器的输出电压低于输入电压,升压式变换器的输出电压大于输入电压。在反激式、正激式、半桥式、全桥式和推挽式等具有隔离变压器的DC/DC变换器中,可以通过调节高频变压器的一、二次匝数比,很方便地实现电源的降压、升压和极性变换。此类变换器既可以是升压型,也可以是降压型,还可以是极性变换型。在设计开关电源适配器时,首先要根据输入电压、输出电压、输出电流的大小,以及是否需要电气隔离,来选择合适的电路结构。 


2. 选择控制电路 

开关电源适配器是通过控制功率MOS场效应管或功率晶体管的导通与关断时间来实现电压变换的,其控制方式主要有脉冲宽度调制、脉冲频率调制和混合调制三种。脉冲宽度调制方式,简称脉宽调制(英文Pulse Width Modulation,缩写PWM);脉冲频率调制方式,简称脉频调制(英文Pulse Frequency Modulation,缩写PFM);混合调制方式,是脉冲宽度和开关频率均不固定,彼此都能改变的方式。 


PWM方式,具有固定的开关频率,通过改变脉冲宽度来调节占空比,因此开关周期也是固定的,这就为设计滤波电路提供了方便,所以应用最为普遍。目前,开关电源适配器大多采用此方式。为便于开关电源厂家的设计,众多IC厂家将PWM控制器设计成集成电路,以方便电源工厂选择。在早期的电源适配器产品中,我们常用的PWM控制器如下: 

a) 自激振荡型RCC控制电路。 
b) TL494电压型PWM控制电路。 
c) SG3525电压型PWM控制电路。 
d) UC3842电流型PWM控制电路。 
e) TOPSwitch-II系列的PWM控制电路。 
f) TinySwitch系列的PWM控制电路。 


自激振荡型RCC控制电路通过启动电阻,利用高频变压器的正反馈绕组实现功率开关管的饱和导通,利用功率管的退饱和特性实现功率开关晶体管的关断。通过控制功率开关管基极电流大小实现脉冲宽度调制。具有结构简单、成本低廉的特点,适合在小功率的反激式开关电源适配器中应用,例如各种电器设备的待机电源、手机充电器等。 


TL494是电压型PWM控制电路芯片,具有固定振荡频率,它包含了开关电源需要的全部控制功能,广泛应用于推挽式、半桥式、全桥式拓扑结构的开关电源。内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力,具有推或拉两种输出方式,适合驱动双极型功率开关晶体管。适合构成较大功率的开关电源。 


SG3525也是电压型PWM控制电路芯片,是SG3524的改进产品,SG3524的功能与TL494的功能基本相同。SG3525内置软启动电路,具有输入欠电压锁定功能,可实现逐个脉冲关断。其驱动输出级采用了推挽式电路结构,灌电流/拉电流能力超过200mA,关断速度更快。不但能够驱动双极型功率开关晶体管,更适合驱动场效应功率管(MOSFET),以便获得更高的开关频率和电源转换效率。 


UC3842是电流型PWM控制芯片电路,她具有引脚少、外围电路简单、性能优良、单价低廉等优点,适合构成小功率单端反激式开关电源,是目前单端PWM控制电路的一种优选型号。该电路具有欠电压锁定功能和大电流图腾柱式输出结构,适合驱动双极型功率管和场效应功率管。其电流型控制模式,很容易实现对每个周期的峰值电流限制,能有效防止高频变压器的磁饱和,提高了开关电源适配器的可靠性。 


TOPSwitch-II系列单片开关电源是将PWM控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、场效应功率管、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器即可实现输出端与电网完全隔离。外部仅需配整流滤波器、高频变压器、漏极钳位保护电路、反馈电路和输出整流滤波电路,即可构成反激式开关电源适配器。 


TinySwitch系列单片开关电源是美国PI公司推出的一种高效率、小功率、低成本的四端单片开关电源专用IC。TinySwitch系列比TOPSwitch-II系列三端单片开关电源增加了一个使能端,使用也更加方便、灵活。其控制系统实际上是采用跳过周期的方式实现稳压过程的,等效为脉冲频率调制器。该系列产品特别适合制作10W以下的微型开关电源适配器或者待机电源。 


在设计开关电源适配器时,要根据主电路的拓扑结构、输出功率的大小、电源的应用领域等选择合适的PWM控制电路。


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