恒压-恒流输出式单片开关电源的设计原理

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1、恒压/恒流输出式单片开关电源的设计原理

2、第1恒压源的输出电压由下式确定：UO=UZ2＋UF＋UR1=UZ2＋UF＋IR1·R1(1)式中，UZ2=6.2V，UF=1.2(典型值)，需要确定的只是R1上的压降UR1。令R1上的电流为IR1，VT2的集电极电流为IC2，光耦输入电流(即LED工作电流)为IF，显然IR1=IC2=IF，并且它们随u、IO和光耦的电流传输比CTR值而变化。TOP200Y的控制端电流IC变化范围是2.5mA(对应于最大占空比Dmax)～6.5mA(对应于最小占空比Dmin)，现取中间值IC=4.5mA。因IC是从光敏三极管的发射极流入控制端的，故有关系

3、式IR1=Ic/CTR(2)在IC和CTR值确定之后，很容易求出IR1。单片开关电源须采用线性光耦合器，要求CTR=80％～160％，可取中间值120％。将IC=4.5mA，CTR=120％代入式(2)得出，IR1=3.75mA。令R1=39Ω时，UR1=0.146V。最后代入式(1)计算出UO=UZ2＋UF＋UR1=6.2V＋1.2V＋0.146V=7.546V≈7.5V2.2电流控制环的设计电流控制环由VT1、VT2、R1、R3～R7、C8和PC817A等构成。下面需最终算出恒定输出电流IOH的期望值。图3中，R7为VT1的基极偏置电阻，因基极电流很小，而R3上的电流很大

4、，故可认为VT1的发射结压降UBEI全部降落在R3上。则IOH=UBE1/R3(3)利用下面二式可以估算出VT1、VT2的发射结压降：UBE1=(kT/q)·In(Ic1/Is)(4)UBE2=(kTq)·In(Ic2/Is)(5)式中，k为波尔兹曼常数，T为环境温度(用热力学温度表示)，q是电子电量。当TA=25℃时，T=298K,kT/q=0.0262V。IC1、IC1分别为VT1、VT2的集电极电流。IS为晶体管的反向饱和电流，对于小功率管，IS=4×10－14A。因为前已求出IR1=IF=IC2=3.75mA，所以UBE2=(kT/q)In(Ic2/Is)=0.026

5、2In(3.75mA/4×10-14A)=0.662V又因IE2≈IC2，故UR5=IC2R5=3.75mA×100Ω=0.375V，由此推导出UR6=UR5＋UBE2=0.375V＋0662=1.037V。取R6=220Ω时，IR6=IC1=UR6/R6=4.71mA。下面就用此值来估算UBE1，进而确定电流检测电阻R3的阻值：UBE1=0.0262In(4.71mA/4×10-14A)=0.668R3=IBE1/IOH=0.668V/1.0A=0.668Ω与之最接近的标称阻值为0.68Ω。代入式(3)可求得IOH=0.668V/0.68Ω=0.982考虑到VT1的发射结

6、电压UBE1的温度系数αT≈－21mV/℃，当环境温度升高25℃时，IOH值降为I＇OH=UBE1-‖αT‖·T/R3=0.668V-(2.1mV/℃)×25℃/0.68Ω=0.905A恒流准确度为γ=(I＇OH-IOH/IOH)·100%=(0.905-0.982/0.982）·100%=-7.8%≈-8%与设计指标相吻合。3反馈电源的设计反馈电源的设计主要包括两项内容：(1)在恒流模式下计算反馈绕组的匝数NB。之所以按恒流模式计算NB值，是因为此时UO和UFB都迅速降低(UO=UOmin=2V)，只有UFB足够高时，才能确保恒流源正常工作。（2）在恒压模式下计算出反馈电压

7、额定值UFB。此时UO=7.5V，UFB也将达到最大值，由此求得UFB值，能为选择光耦合器的耐压值提供依据。500)this.style.ouseg(this)">反馈电压UFB由下式确定：UFB=(Uo+UF2+IoR3)·NB/Ns-UF3(6)式中，UF2和UF3分别为VD2、VD3的正向导通压降。NS为次级匝数。从式（6）可解出NB=(UFB+UF3/Uo+UF2+IoR3)·Ns(7)在恒流模式下当负载加重(即负载电阻减小)时，UO和UFB会自动降低，以维持恒流输出。为使开关电源从恒流模式转换到自动重启状态时仍能给TOP200Y提供合适的偏压，要求UFB至少比恒流模

8、式下控制电压的最大值UCmax高出3V。这里假定UCmax=6V，故取UFB=9V。将UFB=9V、UO=UCmin=2V、UF2=06V、UF3=1V、IO=IOH=0.982A、R3=0.68Ω、NS=12匝一并代入式(7)，计算出NB=36.7匝≈37匝（取整）。在恒压模式下，UO=7.5V，最大输出电流IO=0.95A，再代入式(6)求得，UFB=26V，此即反馈电压的额定值。选择光耦合器时，光敏三极管的反向击穿电压必须大于此值，即U(BR)CEO>26V。常用线性光耦的U(BR)CEO