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1、简化离线式开关电源的设计开关电源的使用日益普及,电视机、机顶盒和录像机均采用这种方式供电,移动电话充电器、PDA(个人数字助理),甚至一些电动牙刷都采用开关电源。 与传统的线性电源相比,开关电源具有许多优点。在通常情况下,如果只需要一个直流输出,采用一个变压器、整流器和滤波电容就可构成线性电源。有时,可采用一个线性稳压器提供稳压输出。这种系统的主要优点是简单,所以成本通常较低。而开关电源通常结构复杂、价格昂贵,所以线性电源获得了广泛应用。表1列出了两种系统的优点和缺点。表1线性与开关电源对比线性电源开关模式电源通常成本很低成本有低有高噪声低可达到
2、低噪声,但会增加复杂度结构简单结构复杂重量重,体积大重量轻,体积小效率低效率高固定输入电压通用输入电压 开关电源电路有许多种,但最常见的是反激式转换器,其原理如图1所示,电源输入首先经过整流,然后滤波,接下来经过变压器和初级开关,以及初级控制器;这个控制器根据反馈信号来改变开关的占空比,反馈信号是由次级反馈而来。 尽管可采用电感器,但所示设计采用的是未隔离的变压器。隔离设计在离线设备中更为常见,在离线设备中,变压器具有隔离作用,可方便地实现占空比调整。反激式开关电源可在非连续导通和连续导通两种模式下工作,不连续导通模式如图2所示。Ilm和Vlm是
3、变压器磁化电感通过的电流和施加的电压。表2开关电源的两种导通模式连续导通模式非连续导通模式峰值电流较小,开关损耗较低峰值电流较大,开关损耗较峰值电流较小,变压器损耗较低峰值电流较大,变压器损耗较所需电感较大,缓冲损耗较高所需电感较小,缓冲损耗较低次边需要快速恢复二极管不需要快速恢复二极管 当开关闭合时,电压施加在变压器初级的两端,因为此时次级二极管是截止的,变压器所起的作用就像电感器。经过初级线圈的电流会上升,同时能量储存在磁通量中。当开关断开时,次级二极管导通,电流通过次级时会下降,因为能量被转换至次边大容量电容器。如果电流经过磁化电感区后降至零,
4、这是不连续导通模式。如果磁化电流未降至零,如图3所示,则系统以连续导通模式工作。表2列出了两种模式的优缺点。 两种模式各有其优缺点,可根据设计要求进行选择。可以挑选大负载的连续模式设计,或选择小负载的非连续模式设计。有电压和电流两种控制模式,在电压模式中,次边电压被反馈,直接控制工作循环;而在电流模式中,次边电压被反馈,控制最大的开关电流,即控制IC的PWM部分使开关闭合,当电流达到反馈设定的极限时,开关就断开。控制器的选择 过去,大多数SMPS系统采用分立控制器IC和用场效应晶体管(FET)作为开关,现在可以采用集成控制器,这些集成器件针对各种功
5、率级别和应用进行了优化,通常可分为双芯片式和单芯片式两类。双芯片式包括控制器芯片和MOSFET芯片,而单芯片式仅有一个芯片,一般采用BCDMOS工艺制造。采用BCDMOS工艺制造高压功率MOSFET器件,它的局限性多于采用优化MOSFET工艺制造的器件。通常,采用BCDMOS工艺制造的芯片的单位面积RDS(on)值会高出许多。 然而,单芯片解决方案的成本较低,在低功率应用领域具有优势。因此,一般是为高功率应用选择双芯片方案,而为低功率应用选择单芯片方案,高低功率的分界点在15至20W左右,飞兆半导体有提供两种类型的功率开关。应用实例 图4所示为采用
6、KA5M0365R的通用开关模式电源的电路图,KA5M0365R是双芯片器件。电源的输入电压为85～265VAC,开关频率为66kHz,输出为3.3V、1.2A,5V、1.5A,9V、0.5A和33V、0.1A。 内部MOSFET的额定值为3A和650V,但不是简单的MOSFET,而是SenseFET,其源极面积约有1%被隔离出来,形成次感应源极。漏极电流的1%来自感应源极,它流经集成电阻器,便于准确地测量电流值,不存在与外部电流采样电阻器相关的损耗。 自线路输入端开始,首先是一个用于抑制EMI的滤波器,接下来是桥型整流器、NTC电阻器和滤波电容器
7、。NTC电阻器用于避免开关闭合时的电流浪涌。在第一次接通电源时,FPS以旁路模式工作,吸收极少的电流,Vcc电容器被充电,一旦达到电压锁定阈值15V范围的上限,该器件就开始开关,它的电流需求增加,Vcc电压开始下降。然而,假定Vcc电容器足够大,Vcc电压仍保持在电压锁定阈值范围的较低水平,在正常运作期间,第三线圈开始供电。 缓冲网络(SnubberNetwork)连接在变压器初级的两端,以确保变压器泄漏电感引起的尖峰信号,不会造成开关漏极电压超过其击穿电压。如果超过击穿电压,器件会发生雪崩,由于它具有一定的雪崩额定值,这样仅仅多消耗一点功率,不需配
8、置昂贵的齐纳缓冲器。 有四个次级线圈提供四路电压输出,通过一个光耦,由431型电压参考器提供
