單片開關(guān)電源的基本原理

　　目前生產(chǎn)的單片開關(guān)電源主要有TOPSwitch、TOPSwitch－II、TinySwitch、TNY256、MC33370和TOPSwitch－EX六大系列；此外，還有L4960系列、L4970/L4970A系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。共八大系列，80 余種型號(hào)。根據(jù)引出端的數(shù)量，可劃分成三端、四端、五端、多端4種類型。下面以美國PI公司生產(chǎn)的 TOPSwitch系列的產(chǎn)品為例，介紹單片開關(guān)電源的基本原理和典型應(yīng)用。

　　TOPSwitch系列單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路如圖1所示。高頻變壓器在電路中具各能量存儲(chǔ)、隔離輸出 和電壓變換3大功能。由圖可見，高頻變壓器初級(jí)繞組Np的極性（同名端用黑點(diǎn)表示），恰好與次級(jí)繞組 Ns、反饋繞組NF的極性相反。這表明在TOPSwitch導(dǎo)通時(shí)，電能就以磁場能量形式存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中，此 時(shí)VD2截止。當(dāng)TOPSwitch截止時(shí)，VD2導(dǎo)通，能量傳輸給次級(jí)，此即反激式開關(guān)電源的特點(diǎn)。圖中，BR為 整流橋，CIN為輸人端濾波電容。交流電壓u經(jīng)過整流濾波后得到直流高壓UI，經(jīng)過初級(jí)繞組加至 TOPSwitch的漏極上。鑒于在TOPSwitch關(guān)斷時(shí)刻，由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓會(huì)疊加在直流高壓UI 和感應(yīng)電壓UOR上，可使功率開關(guān)管的漏極電壓超過700V而損壞芯片，為此在初級(jí)繞組兩端必須增加漏極 鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管（VDz1）、阻尼二極管（VD1）組成，VD1宜采用超快 恢復(fù)二極管（SRD）。VD2為次級(jí)整流管，COUT是輸出端濾波電容。

圖1 單片機(jī)開關(guān)電源典型應(yīng)用電路

　　該電源采用配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。反饋繞組電壓經(jīng)過VD3，CF整流濾波后獲得反饋電壓UFB，經(jīng)光耦 合器中的光敏三極管給TOPSwitch的控制端提供偏壓。CT是控制端C的旁路電容。設(shè)穩(wěn)壓管VDz2的穩(wěn)定電壓 為Uz2，限流電阻R1，兩端的壓降為UR，光耦合器中LED發(fā)光二極管的正向電壓降為UF，輸出電壓Uo由下式 設(shè)定

　　該電源的穩(wěn)壓原理簡述如下：當(dāng)由于某種原因（如交流電壓升高或負(fù)載變輕）致使Uo升高時(shí)，因Uz2不變 ，故UF就隨之升高，使LED的工作電流IF，增大，再通過光耦合器使TOPSwitch的控制端電流IC，增大。但 因TOPSwitch的輸出占空比ε與IC，成反比，故ε減小，這就迫使Uo。降低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。反之，Uo↓ →Uf↓→IF↓→IC↓→ε↑→Uo↑，同樣起到穩(wěn)壓的作用。由此可見，反饋電路正是通過調(diào)節(jié)TOPSwitch 的占空比，使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。

　　1．單片開關(guān)電源的兩種工作模式

　　單片開關(guān)電源由兩種工作模式，一種是連續(xù)模式CUM（Continuous Mode），另一種是不連續(xù)模式DUM（Discontinuous Mode）。這兩種模式的開關(guān)電流波形分別如圖2（a）、（b）所示。由圖可見，在連續(xù)模式下，初級(jí)開關(guān)電流是從一定幅度開始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其開關(guān)電流波形呈梯形。這表明在連續(xù)模式下，存儲(chǔ)在高頻變壓器的能量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)并未完全釋放掉，所以下一開關(guān)周期具有一個(gè)初始能量。采用連續(xù)模式可減小初級(jí)峰值電流IP，和有效值電流IRMS，并降低芯片的功耗。但連續(xù)模式要求增大初級(jí)電感量LP，這會(huì)導(dǎo)致高頻變壓器體積增大。綜上所述，連續(xù)模式適用于輸出功率較小的TOPSwitch和尺寸較大的高頻變壓器。三端單片開關(guān)電源大多設(shè)計(jì)在連續(xù)模式。

　　不連續(xù)模式的開關(guān)電流則是從零開始上升到峰值，再降至零的。這意味著存儲(chǔ)在高頻變壓器中的能量必須在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)完全釋放掉，其開關(guān)電流波形呈三角形。不連續(xù)模式下的IP，IRMS值較大，但所需的LP較小。因此，它適合采用輸出功率較大的TOPSwitch，并配尺寸較小的高頻變壓器。

圖2 兩種模式的開關(guān)電流波形

　　2．反饋電路的4種基本類型

　　單片開關(guān)電源的電路可以千變?nèi)f化，但其反饋電路只有4種基本類型：①基本反饋電路；②改進(jìn)型反饋電路；③配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路；④配TL43 1的精密光耦反饋電路。它們的簡化電路分別如圖3（a）～（d）所示。

圖3 反饋電路的四種類型

　　圖3（a）為基本反饋電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、成本低廉，適于制作小型化、經(jīng)濟(jì)性開關(guān)電源；其缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能較差，電壓調(diào)整率Sv＝±1.5％～±2％，負(fù)載調(diào)整率SI≈±5％。

　　圖3（b）為改進(jìn)型反饋電路，只需增加一只穩(wěn)壓管VDz和電阻R1即可使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到2％。VDz的穩(wěn)定電壓一般為22V，需相應(yīng)增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓UFB，滿足電路的需要.

　　圖3（c）是配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。由VDz提供參考電壓Uz，當(dāng)Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當(dāng)于給TOPSwitch增加一個(gè)外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對Uo進(jìn)行調(diào)整。這種反饋電路能使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到±1％以下。

　　圖3（d）是配TL43 I的精密光耦反饋電路，其電路較復(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳。這里用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替穩(wěn)壓管，構(gòu)成外部誤差放大器，進(jìn)而對嘰進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，可使電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均達(dá)到±0.2％，能與線性穩(wěn)壓電源相媲美。這種反饋電路適于構(gòu)成精密開關(guān)電源。

　　在設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的反饋電路，才能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。