摘要:本文利用成本低廉的分立元件,研制了一种实用的小功率开关电源。它能将220V市电电压转换为5V的直流电压,可用于如空调节能管理器等设备中,且体积更小,能够满足电子仪器和设备日益微型化的需求,并降低产品成本。
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。
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。
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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