恒功率输出式单片开关电源的设计原理

恒功率输出式单片开关电源的设计原理

沙占友　睢丙东　王彦朋

(河北科技大学　石家庄　050054)

　　摘要:介绍由TOP202Y构成的恒功率输出式单片开关电源的工作原理和设计要点。

关键词:单片开关电源　恒功率　输出　控制电路　　恒功率输出单片开关电源的特点是,当输出电压V0降低时,输出电流I0反而会增大,使二者乘积I0・

V0不变,输出功率P0保持恒定。这种开关电源可作

为高效、快速、安全的电池充电器,对笔记本电脑的电池进行充电。恒功率输出特性近似为一条双曲线。

1　恒功率输出式开关电源的工作原理

　　TOP202Y是美国Power公司研制的TOPSwitch系列三端单片开关电源。它只有三个引出端(控制端C、源极S、漏极D),内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网隔离,适用于构成无工频变压器式高效开关电源。由TOP202Y构成的15V、15W恒功率输出式开关电源,电路如图1所示。TOP202Y型单片开关电源在

宽范围电压输入(u=85V～265VAC)时的最大输出功率为30W。该电源工作在连续模式下,并且从次级来调节输出功率,不受初级电路的影响。当输出电压从15V(即100%・V0)降至715V(即50%・V0)时,恒功率准确度可达±10%。85V～265V交流电压经过BR,C1整流滤波后,为初级回路提供直流高压。漏极箝位保护电路由VDZ1和VD1构成。反馈绕组电压经过1N914、C4整流滤波后,给光耦中的光敏三级管提供集电极电压。C5为控制端的旁路电容。次级电压由VD2、C2、L1和C3构成。VD2采用FE3C型150V/4A的超快恢复二极管。C2选择等效串联电阻(ESR)很低的电解电容器。标称输出电压V0值,由光耦中LED的正向压降(VF)与稳压管VDZ2的稳定电压(VZ2)来设定。R5起

图1　15W恒功率输出式开关电源的电路图

收稿日期:2000-06　沙占友,男,河北科技大学电子工程系教授,出版了多本专著。

2000年第6期仪表技术—41　—

限流作用并能决定电压控制环的增益。

　　恒功率控制电路由VT1、VT2、VDZ3～VDZ5、R1～R7构成。VT1工作在饱和区。VT1和VT2应选参数一致性很好的3DK4B型开关管,亦可用国外2N4401型小功率硅晶体管代替。VDZ3、VDZ4的型号分别为2CW242、2CW340。R1为电流检测电阻,VT2用来监视R1上的压降。该电路具有温度补偿特性,能对VT1、VT2的偏压以及输出电压进行温度补偿。恒功率控制电路由5部分组成;①恒流源电路(VDZ4、R7、R3),给偏压电路提供恒定的集电极电流IC1;②带温度补偿的偏压电路(VT1、R2),其作用是给VT2提供偏置电压VB1,它的发射结压降VBE1与VBE2相等且具有相同的温度系数;③电流检测电阻(R1);④电压温度系数补偿电路(VDZ3、R6、R4),利用稳压管(VDZ3)

),可对反向击穿电压的正温度系数(βt≈+315mV/℃

VT2的发射结电压VBE2的负温度系数(αt≈-)进行补偿,以减小VBE2的温漂;⑤电压调211mV/℃节电路(IC2、VDZ2、R5),利用带稳压管的光耦反馈电

图2　恒功率型开关电源的输出特性

2　恒功率输出式开关电源的设计要点

211　集电极电流IC1

VT1和VT2的参数应相同,二者的位置要尽量靠

路使V0在恒压区内保持恒定。

当I0较小时VT2截止,而VDZ2处于稳压区,开关电源工作在恒压输出方式下,V0=15V;此时恒功率控制电路不工作。设R1两端压降为VR1,因VR1=I0R1,故当I0≥1A时,VR1显著升高,迫使VT1截止,而VT2开始导通,又令VDZ2截止,电路就从恒压控制模式迅速转入恒功率控制模式,并按下述正反馈过程V0↓→I0↑→VR1↑→IF↓→IC↓→D↑→I0↑,使

P0保持不变。其中,IF为IC2中LED的正向工作电

近,置于相同的温度环境中。由VDZ4和R3给VT1提供恒定的集电极电流IC1。若忽略R2(51Ω)小电阻的影响,在稳压模式下为保证VT1工作在放大区,其集电极电流IC1应由下式确定:

VZ4-VBE1(1)IC1=R3

Ω代入上式得,将VZ4=511V、VBE1=0167V、R3=750

IC1=519mA,近似取6mA。温度补偿偏压经过VT1和R1加到VT2上,且设计的IC2应等于IC1。212　饱和压降Vs

VT1的饱和压降计算公式为

Vs=VBE1-IC1・R2

(2)

流,IC是TOP202Y的控制端电流,D为输出占空比。

需要指出,由于在电路中采取了多种温度补偿措施,因此P0基本上不受环境温度变化的影响,这对于改善恒功率型开关电源的性能至关重要。

恒功率型开关电源的输出特性如图2所示,它近似于一条双曲线。从图中不难看出,当V0=15V时,I0=1102A,P01=15V×1102A=1513W;V0=715V时I0=2107A,P02=1515W。显然,P01≈P02,这就是恒功率输出的特点。实际情况下,V0—I0的特性曲线允许有±10%的偏差。　　(上接第17页)

(%s\\n\\n\\n”printf“,buffer);ibwrt(funcgen“,SOUR:FUNC?”,10);　…

CloseHandles();　Ω代入(2)式中求将VBE1=0167V、IC1=6mA、R2=51

出,Vs=0136V。

213　输出功率

输出的恒定功率值由下式确定:

P0=V0・VBE2-Vs-R4R4+R6R1

(V0-VZ3-Vs)・

(3)

不难算出,当V0=12V、VBE2=0167V、Vs=0136V、

Ω、Ω、Ω时,额VZ3=612V、R4=330R6=18kR1=0116定输出功率P0=1512W。

(周孝刚　编发)

//

//送“SOUR:FUNC?”给函数发生器

(许雪军　编发)