電子設(shè)備正常工作需要良好穩(wěn)定的直流電源，現(xiàn)如今大部分外部供電電源是交流電，通常由火力發(fā)電、水力發(fā)電、核子發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電獲得。所得交流電源通過(guò)直流穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需各類(lèi)別直流電源，供其使用。當(dāng)電網(wǎng)或負(fù)載變化時(shí)，直流穩(wěn)壓電源能保持穩(wěn)定的輸出電壓，且紋波較小凹。穩(wěn)壓電源自半個(gè)多世紀(jì)發(fā)展以來(lái)，技術(shù)已日趨成熟，近20年來(lái)，集成開(kāi)關(guān)電源沿兩個(gè)方向發(fā)展;第一個(gè)方向是對(duì)開(kāi)關(guān)電源的控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。

第二個(gè)方向是實(shí)現(xiàn)中、小功率開(kāi)關(guān)電源單片集成化。市場(chǎng)上穩(wěn)壓電源產(chǎn)品種類(lèi)繁多，且大都滿足效率高、輸出穩(wěn)定、可靠性高等特性。大多數(shù)采用高頻變壓器，其成本相對(duì)高。該直流穩(wěn)壓器采用Sepic 和Buck 電路為主電路，輔助電源采用高頻變壓器，充分利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，在滿足可靠性、穩(wěn)定性前提下，寬范圍輸人交流電源時(shí)輸出穩(wěn)定的直流電壓，且成本相對(duì)低，易于調(diào)試及維修。

1、系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

交流輸入電壓經(jīng)過(guò)輸入保護(hù)電路中的整流濾波產(chǎn)生的高壓直流既作為輔助電源的輸入電壓，進(jìn)而提供芯片工作電 壓;又是DC-DC/DC-DC 變換 器 的輸人電壓，DC-DC/DC-DC變換器是進(jìn)行功率變換的器件，是開(kāi)關(guān)電源的核心口2，DC-DC/DC-DC 變換器輸出電壓經(jīng)過(guò)反饋電路進(jìn)行取樣與設(shè)定參考電壓比較，調(diào)節(jié)PWM 占空比的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓，使其保持穩(wěn)定。輸出帶有過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)電壓電流過(guò)大時(shí)關(guān)斷PWM 信號(hào)，無(wú)電壓輸出。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2、輸入保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

輸入保護(hù)部分主要有壓敏電阻RV，熱敏電阻RT，保險(xiǎn)管，濾波線圈L0，和整流橋及濾波電容C16組成，壓敏電阻RV 用于交流輸入的過(guò)壓保護(hù)，即浪涌吸收。濾波線圈LO 及電容CO 構(gòu)成了EMI，濾除噪聲干擾。選擇整流橋器件時(shí)時(shí)，要考慮可承受足夠的反向耐壓，沖擊電流要大于額定整流電流的7~10 倍。熱敏電阻RT 是具有負(fù)溫度特性(NTC)電阻，限制啟動(dòng)時(shí)C16 的充電電流峰值，啟動(dòng)過(guò)后，該電阻阻值會(huì)降到很小，其消耗的功率基本可忽略不計(jì)。其電路圖如圖2 所示。

3、輔助電源的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的Sepic 直流穩(wěn)壓器正常工作時(shí)，需要為PWM 控制芯片及隔離驅(qū)動(dòng)提供兩路獨(dú)立電源。輔助電源采用單端反激式電路，其控制性芯片采用PI 公司的TOPSwitch II 系列，該器件各集種控制功能、保護(hù)功能及耐壓700V 的功率開(kāi)關(guān)MOSFET于一體，具有前沿消隱設(shè)計(jì)，自動(dòng)重啟動(dòng)功能，低電磁干擾性(EMI)，電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制等顯著特點(diǎn)。考慮到PWM 控制芯片和隔離芯片工作時(shí)功率較低，選用TOP221Y，在寬范圍輸入電源電壓下，其功率輸出為7W，足以滿足要求。輔助電源的電路圖如圖2所示，原理分析所下：

交流電源通過(guò)全橋整流，電容濾波作為輔助電源的供電電源，CT1用于濾除干擾。在MOSFET 關(guān)斷期間由于高頻變壓器漏感的存在其漏感電壓很高，為保護(hù)變壓器不受其損壞，在這里選擇快恢復(fù)二極管VD1與瞬態(tài)抑制器TVS 組成鉗位電路，用于吸收漏感電壓，保護(hù)原理分析如下：當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)VD1兩端電壓為上正下負(fù)，VD1截止，鉗位電路不工作; 當(dāng)MOSFET 截止時(shí)，由于漏感存在，VD1兩端電壓變?yōu)樯县?fù)下正，此時(shí)VD1導(dǎo)通，鉗位保護(hù)電路工作，電壓得到限制。反饋回路主要有光電耦合器PC817 與三端穩(wěn)壓器TL431及若干電阻、電容構(gòu)成，線性光耦合器PC817 的電流傳輸比(CTR)范圍為80%-160%，能較好地滿足反饋回路的要求。電阻Rao.R3分壓作為T(mén)L431基準(zhǔn)電壓，通過(guò)設(shè)定R3O、R4 的阻值可以得到所需輸出電壓的穩(wěn)壓值。GZ 作為T(mén)L431的頻率補(bǔ)償電容，可以提高TL431的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。RSO 為PC817 的LED 限流電阻，起到限流保護(hù)的作用。反饋回路實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓的原理如下： 當(dāng)輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，通過(guò)R3O、R43 分壓得到的取樣電壓U10 使TL431的輸出電壓UK發(fā)生改變，進(jìn)而控制PC817 的發(fā)光二極管(LED)的光照度，引起光敏三極管發(fā)射極電流成比例的變化，最后通過(guò)TOP221Y控制端電流變化來(lái)調(diào)節(jié)占空比發(fā)生與其相反的變化，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，為電路提供穩(wěn)定的輔助電源。

4、主電路模塊的設(shè)計(jì)

直流斬波電路起到把一種直流電變化為另一種固定電壓或可調(diào)電壓的功能。應(yīng)用領(lǐng)域可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是輸出可變的直流電壓;另一類(lèi)是當(dāng)電源電壓或負(fù)裁變化時(shí)，都可以輸出一個(gè)恒定的直流電壓用。所設(shè)計(jì)的電源屬于后者，其原理圖如圖3 所示：高壓直流電壓DCO 通過(guò)Sepic 電路可升降壓的特點(diǎn)將變化的電壓DCO( 183~425 V)穩(wěn)定在DC1左右，并作為Buck 電路輸入電壓，設(shè)置合適的占空比得到輸出電壓DC2(24 V)，斬波電路采用閉環(huán)反饋控制，交流供電電壓或輸出負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器輸出電壓都能保持穩(wěn)定。兩次DC-DC 變換都包括輸入、輸出濾波，電壓紋波更小。功率管漏源極兩端采用由無(wú)感電阻和電容組成的阻容吸收回路，吸收開(kāi)關(guān)管的尖峰電壓，起到保護(hù)功率管的作用。

5、PWM 控制電路設(shè)計(jì)

PWM 控制電路與DC-DC/DC-DC 變換器的性能密切相關(guān)，因而PWM 控制電路的設(shè)計(jì)尤為重要問(wèn)。在此PWM 控制芯片選用美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司(Silicon General)的SG3525，具有內(nèi)設(shè)置有欠壓鎖定電路，軟啟動(dòng)電路，基準(zhǔn)電壓源，誤差放大器，輸出限流，和關(guān)斷電路，圖騰柱式輸出級(jí)，振蕩器及可調(diào)節(jié)的死區(qū)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中。SG3525外圍電路如圖4所示，分析如下。

選擇德州儀器公司()生產(chǎn)的431的參考電壓作為2腳基準(zhǔn)電壓，輸出PWM 控制信號(hào)穩(wěn)定度高。R4、C2 構(gòu)成1、9腳之間的反饋補(bǔ)償網(wǎng)路，反饋電壓UFB加到1腳，與2腳基準(zhǔn)電壓U7 比較，調(diào)節(jié)占空比的大小。14、11腳兩路輸出并用一路輸出，使得變換器占空比可調(diào)范圍擴(kuò)大一倍。CU 為加速電容，加快功率管開(kāi)通。10腳為關(guān)斷信號(hào)引腳，SD 為高電平時(shí)，關(guān)斷脈沖輸出。將3腳接地，減少干擾。

6、光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

該穩(wěn)壓器頻率高達(dá)100 K，采用高速光耦6N137 與三極管組成光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM 信號(hào)快速響應(yīng)。隔離驅(qū)動(dòng)外圍電路如圖5 所示，6N137 光耦輸人與輸出反向，因此輸出加一PNP 管，使信號(hào)G1/G2 跟隨輸入PWM 變化，C3是0.1UF的去耦電容，加在6N137 光耦合器的電源管腳旁。在選擇電容類(lèi)型時(shí)，選擇高頻特性好的電容如陶瓷電容或鉭電容。6N137 光耦合器的第6 腳VO器，輸出電路屬于集電極開(kāi)路電路，必須上拉一個(gè)電阻Rz;6N137 光耦合器的第2腳和第3腳之間是一個(gè)LED，必須串接一個(gè)限流電阻R34O。

7、反饋回路及過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

反饋電路由磁放大器隔離器與取樣電阻R26.R31組成，、取樣電壓經(jīng)過(guò)DCP010505B 隔離放大后得到電壓UFB，一方面，此電壓作為反饋電壓加到SG3525 的1腳，與基準(zhǔn)電壓比較，決定輸出占空比的大小，穩(wěn)定輸出電壓;另作為過(guò)壓保護(hù)電路的一方面加到誤差放大器正向輸入端，輸入電壓，過(guò)壓保護(hù)電路采用跟隨器與遲滯比較器構(gòu)成，當(dāng)輸出電壓大于設(shè)定門(mén)檻電壓時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，發(fā)光二極管發(fā)亮，SD 為高電平，關(guān)斷輸出脈沖。過(guò)流保護(hù)電路由取樣電阻、磁隔離放大器DCP、LM324 組成。取樣電阻采用精密電阻，阻值比較小，磁隔離放大器采用DCP010512B，經(jīng)過(guò)放大器將取樣信號(hào)放大后，與基準(zhǔn)電壓比較，此后的保護(hù)動(dòng)作與過(guò)壓保護(hù)原理相同。

8、實(shí)驗(yàn)

該Sepic直流穩(wěn)壓器調(diào)試電路板分為輔助電源電路板、斬波主電路電路板，板子元件采用直插型，便于實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)更換元件加以改正。并對(duì)其PWM 信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試并記錄。

9、結(jié)論

Sepic 直流穩(wěn)壓器主電路是非隔離式設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流快速驅(qū)動(dòng)MOSFET，且驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，該穩(wěn)壓器在滿足輸出電壓可靠性、穩(wěn)定性等要求下，體積、成本相對(duì)較小。