介绍两种新型开关电源

（黄绍候）本文介绍Power集成电路公司采用三端高压开关集成器件生产的脉宽调制（PWM）型高压开关电源。该电源电路极其简单，制作容易，可靠性高，很适合电源生产厂家作换代产品或开发成特殊用途的电源。

PWR系列开关电源是1994年Power公司推出的电源新产品，采用的主要器件是一种新型PWR- TOP系列三端高压开关器件，具体型号有PWR－TOP100～104及PWR－TOP200～204。器件内集成有振荡器、脉宽调制器、电源保护控制电路、启动电路和V\(_{DS}\)＞700V的MOS型场效应功率管等。其封装为TO－220，如图1所示。为了便于记忆，三个引脚借用场效应管引脚名称，分别命名为源极端（SOURCE）、漏极端（DRAIN）和控制端（CONTROL）。

上述三端高压开关器件，其漏极端D可承受的工作电压很高，而其正常工作电源范围宽，所以用这种器件设计的开关电源很容易对交流市电（220／11050／60Hz）进行变换，输出各种直流电压（稳压）。现有的开关电源系列产品按所使用的三端高压开关器件不同可分为PWR100～104和PWR200～204，其主要特性和输出功率如表1和表2所示。该开关电源特性除表中所列外，还具有以下特点：1、元件少。用三端高压开关设计的开关电源，因三端器件内部已集成了各种功能电路，所以附加的阻容元件极少，只需配上小体积的脉冲高频隔离变压器、整流滤波器和简单的控制电路，即可完成电源的稳压功能。2、价位低。由于PWR系列开关电源电路简单，外配的少量元件都是通用元件，印制板也是单面板，所以电源成本较低，可列为低价位的高可靠产品。3、效率高，体积小。用三端高压开关制成的开关电源，其电源效率可达87～90％之间，很适合作为全天候工作的工程系统及体积要求小的仪器设备，作固体模块电源也方便。4、全保护功能。该电源保护功能齐全，包括有输出端短路保护、输入端功率限流、功率器件热保护等功能，所以该电源工作可靠性很高。

Power公司的三端高压开关器件，除了用于通用开关电源外，还可用于特殊电源的新品开发。已开发的新品有下列几种：1、家用或商店用的小型霓虹灯高压电源。2、高可靠日光灯电子镇流器。3、高可靠各类AC／ DC固体模块式电源系列。除此之外，还可开发镉镍电池恒流、恒功率自动充电器以及各种高频电源等。

图2是用三端高压开关器件PWR－TP200设计的5V开关电源。电路中略去了交流高压整流电路，实际使用时只需配上整流滤波电路，就可使电源在220V的交流市电中工作。这里加在AB端的输入直流电压为95～375V，输出电压（稳压）5V，输出功率5W。若要增加输出功率，只需将脉冲变压器数据略加调整，电路的输出功率就可达到25W。

电路工作原理：从图2可见，该电路是由三端高压开关器件、脉冲变压器T1200、低压整流和检测电路等组成。变压器T1200有三个绕组：初级绕组（130匝）的2端与三端器件的漏极D相连，1端接高压输入的A端，从而形成高频高压脉冲开关变换的主回路；次级绕组（8、5端）是初级的高频脉冲电压经隔离后的低压绕组输出，再经VD4（肖特基二极管）整流，电容器C3一次滤波和L1、C4的二次滤波，最后输出5V直流电压；第三个绕组(3、4端）是稳压功能的检测绕组，它两端的平均变化电压经R1和VD3整流后直接送到三端开关的控制端C。该控制信号起两个作用：1．电源起动和关闭保护功能。2．控制内部脉冲的占空比达到输出电压的稳定。三端的源极端S接输入端零电位。

图2元件仅12个，是采用三端高压开关设计的开关电源中最简单的电路。由图2可见，脉冲变压器的设计占了主导地位，输出电压与变压器边比有关，要改变输出电压，变压器的边比也应变化。图3为变压器T1200－2的电路图。如将图2电路中变压器T1200换成T1200－2，该电源就变成12V输出的稳压电源。实际上T1200与T1200－2仅仅是次级绕组8、5端从10匝变成了23匝，其它绕组数据不变。脉冲变压器的设计和绕制都很考究，甚至是专门的课题。变压器的输出电压不仅与边比有关，而且与输入电压和脉冲的占空比有关，为了方便读者了解变压器，给出下列公式供设计参考：

其中N\(_{p}\)代表初级绕组匝数，Ns代表次级绕组匝数，V\(_{min}\)代表输入最低电压， V0代表输出电压， D\(_{max}\)代表脉冲占空比的最大值（一般可取50％）。

这里，由于变压器处于高频（约100kHz）高压开关状态，变压器工作时，由于电感的自感电动势和自身存在的分布电容，会在初级端产生很高的尖峰电压和振铃电压。为了抑制上述电压，可在初级绕组上并联VD1、VD2稳压保护二极管。图2中已标出选择VD1、VD2的最佳型号参数。

5V电源的控制电路，是由变压器偏置绕组（4、3）端）、限流电阻R1、整流二极管VD3和起动电容C2组成。三端控制的外挂信号是电流信号。控制的最大电流约2.5mA，该电流可线性控制三端的脉冲占空比，电流小时脉冲占空比大，最大电流时脉冲占空比最小。电阻R1是限制偏值电压输出最大电流的，所以变压器偏值绕组电压没有严格规定，必要时可通过 R1进行调整。当电源 5V输出端因多种原因引起输出电压增加时（如输入电压增高），偏置绕组电压也跟着增大，加到三端控制端电流也相应增大，此时脉冲占空比减小，从而调整输出端电压下降，达到稳压目的，反之亦然。该电源由于控制信号未从输出端取出误差变化量，而是间接从偏置绕组取的检测信号，所以负载稳压性能不太高，约为±4％。要提高负载稳压性能，可以用图4的偏置电路代替图2的偏置电路，可将负载稳压性能提高到±2%。在图4电路中，由于增加了偏置电压（从约6V增加到50V）和采用了稳压二极管，使控制电路灵敏度提高，负载稳压性能得到改善。

该电路制作时，只要按照图中标示的元器件仔细装配无误，毋需调试即可正常工作。

图5是用三端高压开关器件PWR－TOP202设计的7.5V、输出功率30W的开关电源。该电路的基本工作原理与图2电路相似，只是输入端增加了整流电路。采用光电耦合器件，直接从输出瑞7.5V取出负载电压的变化信号加到三端的控制端，达到稳压目的，并可使灵敏度大大提高，负载稳压性能可达±1％，输入电压变化（85～265的稳压性能可达±0.5％。其中变压器偏置绕组（3、4端）的输出电压仅供光耦合器件所需直流工作电压。由于变压器T1工作在高压高频开关状态，加上变压器自身的分布电容，很容易在变压器输出端形成干扰的共模电流。电路中附加了电容C7、C8，可以大大抑制上述的干扰电流。该电路还可改进，使电源具有软启动功能，方法是在VD8两端并上一个4.7～47μF的电容器，即可达到软启动目的，电容越大启动时间越长。