开关电源中的辅助电源系统及其设计

来源:未知  发布时间:2013-09-07 20:19  Tags:
开关电源一般由功率主回路、辅助电源和控制回路组成。功率主回路主要用来给用户负载供电,而开关电源的辅助电源主要用来给功率主回路的控制电路、驱动电路或电源系统的监控电路供电。 辅助电源的设计不但影响到整个电源的体积、效率、稳定性、可靠性和成本,...

开关电源一般由功率主回路、辅助电源和控制回路组成。功率主回路主要用来给用户负载供电,而开关电源的辅助电源主要用来给功率主回路的控制电路、驱动电路或电源系统的监控电路供电。

辅助电源的设计不但影响到整个电源的体积、效率、稳定性、可靠性和成本,而且还将影响到整个开关电源的设计策略。一个重要的原因就是隔离问题。例如在离线式开关电源中,如果其内部的辅助电源和功率主回路输入共地,那么就需要用光耦或变压器来对输出电压采样信号进行隔离,见图1。而如果是内部辅助电源和功率主电路输出共地,则一般不需要对电压采样信号隔离,这时只需对驱动信号隔离。

图1 辅助电源和输入共地

2 开关电源辅助电源的特点及种类

由于所需辅助电源的功率一般较小,辅助电源应该力求简单、可靠和小巧。根据辅助电源与功率主回路的关系,开关电源中的辅助电源可以分为两大类:

(1)独立型:辅助电源独立于功率主回路。主要用于大功率或中功率电源系统,比如在通讯电源、ATX电源中,需要电源正常或失败信号或电源远程控制的功能时,在功率主回路即使不工作时,辅助电源也要正常供电。下面是几种常见的独立型辅助电源设计方法。

第一种方法: 传统的线性电源作为辅助电源。它是用普通的矽钢片低频变压器降压后,又经过四只二极管全波整流,经C5、C6平滑滤波后加到三端稳压器7815输入端。电路见图2:

图 2 低频变压器构成的辅助电源

这种设计中,低频变压器的体积往往选的足够大,以满足各种安全规范中对绝缘和漏电特性的要求。但由于它的简单、可靠和方便,以及完全的隔离特性,所以在大功率开关电源系统中,低频变压器不会影响到整个电源的尺寸和造价时,它将是一个不错的选择。

第二种方法:一种不用低频变压器降压的简易辅助电源。它的实用电路见图4。用两只无极性的高频电容C6 、C7,直接从两路220V(经过输入滤波电路之后)电网电压中取得低频脉动电压,并串联两只电阻R2、R3限流。然后经过四只二极管全波整流,最后再输入集成稳压器7815,以提供所需电压。IC输入端并联一只稳压二极管箝位,防止浪涌电压损坏7815。

图 3 一种不用低频变压器降压的简易辅助电源

第三种方法:由自激式开关变换器构成非常轻巧的辅助电源,可以方便地产生多路辅助电源。图4是由一个自激式反激式变换器构成的辅助电源。

图 4 一种自激式反激式高频变换器构成的辅助电源

这个辅助电源适合于110/220Vac输入。开始时由于通过R1、R2的基级驱动电流,Q1开始导通,绕组P2上的反馈电压将加速Q1的开通过程。随着Q1的导通,初级线圈P1上的电流将线性增加,而R3上的电流也线性增加,Q发射级电压增加,导致R2上的电流减小,Q1开始关断。由于P2上的反馈电压方向,所以将加速Q1的关断过程。在反激阶段,绕组P3和D10把反激的大部分能量回馈到输入,只有一小部分能量通过D11传送到输出。根据变压器铁芯选择适当的初级线圈,使得在Q1开通阶段储存的能量至少是所需辅助输出能量的3-4倍,这样二极管D10在反激阶段始终导通,次级电压就完全由初级电压和砸数比决定,这样做的好处是易于设定辅助电源的输出电压。

第四种方法:用单片电源芯片,如Topswitch或Tinyswtich系列芯片,可以方便的做成高性能小功率的辅助电源。图5是topswitch 芯片在单端反激式单片开关电源中的典型应用。

图 5 Topswitch在单端反激式单片开关电源中的应用

Topwitch 器件集PWM信号控制电路及功率开关场效应管于一体,内部集成了自启动电路,所以只要配以少量的外围元器件,就可以构成一个电路结构简洁、成本低、性能稳定、制作及调试方便的单片开关电源,作为电源系统中的辅助电源。这种方法已得到广泛应用。

(2)非独立型:由主变换器高频变压器输出的一部分构成辅助电源。主要用于中小功率电源系统,有利于减小整个电源的体积,实现小型化,节约成本。特点是辅助电源与主变换器二者的工作状态互相制约。如果辅助电源不给控制电路供电,主变换器将不工作。而当主电路不工作,辅助电路也随之关闭。所以在电源的启动阶段需要一些方法给控制电路提供能量,然后过渡到正常的工作状态。

第一种启动方法:启动时直接由直流输入端提供起动电压,如图6。

图6 启动电压由直流输入线提供

这是一个由UC3842构成的反激式小型开关电源,它的辅助电源由主变换器变压器一个绕组提供。在启动阶段,由直流输入端经过电阻分压后加到UC3842的供电端(7端),给电容C2充电,等到UC3842的7脚电压超过16V时,芯片起振,PWM信号产生,变换器工作,辅助电源电压开始建立。但由于限流电阻RIN的作用,有可能使得芯片7脚电压降低至10V而使得芯片停止工作。之后主电路又通过RIN电阻给UC3842芯片供电,芯片工作。如此反复,直至芯片正常工作所需的辅助电源电压建立后,电源才正常工作。

第二种启动方法:脉冲发生电路构成启动电路,如图7所示。启动时由D1、C4、R4、R5和Q组成的脉冲发生电路来驱动Mosfet功率管,主变换器工作,C6、C7上的电压开始增加,直至辅助电源建立后,电源的控制芯片就开始工作。其产生的PWM信号通过脉冲变压器T1驱动Mosfet,此时由于脉冲变压器T1副边上的电压幅度增大,双向触发二极管DIAC关闭,脉冲发生电路停止工作,起动过程结束,整个电源开始正常工作。

图7 脉冲发生电路构成启动电路

3 开关电源中的辅助电源设计的原则

虽然辅助电源所需要输出功率不大,但它是开关电源中的非常重要的组成部分,将影响到整个电源的性能。开关电源正向着轻、小、薄、高可靠、高稳定、高效率和智能化的方向发展,应根据整个开关电源系统的规格要求来选择合适的辅助电源系统,首先在满足可靠性的前提下,设计简单、轻巧和经济的辅助电源。