宽调节开关电源可选择的一种电路结构

摘   要:  本文简单概述了宽调节电源的发展,提出了采用开关电源构成的一种宽调节电源电路的结构、原理及基本设计要点。
概述
在电源应用中,常常希望电源输出电压调节宽，或者输入电压可适应很宽的范围，或既有一定输出电压调节宽度，又能适应很宽的输入电压范围。通常这类电源称为“宽调节电源” 。在电源发展过程中，有多种方式可以实现这个目标，有的电路至今仍在使用。上世纪60年代开始，晶体管串联方式的稳压电路已普遍使用，其缺点是串联晶体管上的损耗比较大，当输出电压要求宽调节时, 调整的串联晶体管上压降变化很大，势必引起很大的功率损耗，降低电源效率，结构上需要大的散热器, 增加了体积和重量。为了在输出电压调整时保持调整管压降或将它控制在小的范围内变化, 不至产生过大的损耗，最简单的办法是改变变压器抽头， 通过波段开关的选择调整串联稳压器输入电压, 以保持小的调整管压降，达到输出宽调节的目的。但是这种办法输出电压调节的不连续和波段开关的不可靠性是它的缺点。后来，随着开关电源的发展, 为了减少调整管上的损耗，采用降压开关电路替代串联稳压电路。 这种方式的宽调节电源在上世纪60年代末70年代初形成产品, 作为实验室常用电源。但它的缺点依旧存在。
与此同时, 串联稳压电路加前置调节的电路开始应用。 常采用的前置电路是移相式可控整流电路。整体电路有两个相关的控制电路。可控整流电路的反馈信号取自串联稳压器的调整管两端, 它依据调整管两端电压变化来改变串联稳压器的输入电压，这样保证了串联稳压器输出大范围变化时, 通过前置调节电路调整串联稳压器输入电压， 保持调整管上的电压不变,并将损耗限制在最小范围内。 这种方式的宽调节电源实现了连续调节，最大的优点是保持了串联调节电源纹波小和稳定性高的特点, 至今还有大量应用。 其缺点是很难省去工频变压器而使体积和重量偏大，适合应用性实验室。

图1 二级单控的电路拓扑

图2 降压—半桥电路

单级开关电源实现宽调的限制
开关电源广泛应用以后, 人们自然会想到开关电源是否可实现宽调节的目的。众所周知，开关电源大多是采用恒工作频率，PWM方式工作，即一周期内控制功率管的导通比来实现调节，导通比为:d=t_on/(t_on+t_off)     (1)

 其中，ton和toff分别为一周中导通时间和关闭时间，d<1。
对于降压开关电路以及它演变的正激、半桥和全桥电路，其输出均需应用LC滤波电路, 在理想条件下，输入电压和输出电压的关系为:V_out=dV_in     (2)

Vout,Vin分别为输出、输入电压, 从式(2)可以看出d实际上决定了输出电压和输入电压的比, 也反应了输出和输入可调范围的能力。
在实际开关电源的设计中, 因为要考虑到电网的变化、负载变化以及负载变化引起输入直流电压变化等, 在额定的情况下，d一般选择在0.5~0.6；低输入电压、满负载及输出上调10%的情况下, d可能达到0.9；相反，高输入电压、空载，输出电压下调10%的情况下，d可能达到0.2~0.3。 考虑必需的工作死区,  d不能选择过大,  d较小时工作时脉冲电流会增大。一般正激电路不可能达到输出或输入在很宽的范围内调节, 通常在输入电压变化±20%， 输出电压可调±10%的范围内，正激开关电源可以得到较好的工作点和性能。
反激式开关电路的宽调也受到d的限制。但从反激电路的原理上分析,输出功率和电感变压器一个周期内存贮能量成正比, 能量又与输入电流成平方关系。与正激电路相比, 相同的d变化可得到更多的输出功率变化，获得比正激电路更宽的调节范围。因此小功率的反激电路常用于输入100~240VAC可变的开关电路中, 但是要求更大功率输出时,由于功率管脉冲电流大, 变压器效率低等原因，单端反激电路实现大功率输出是比较困难的。
由上可知，单级开关电源的通导比不可能变化很大。所以，受导通比的限制，要实现宽调节是比较困难的。

二级单控开关电源的原理和设计要点
如何来拓宽通导比的变化而实现宽调节，本文提出了二级单控的电路拓扑，框图如图1所示，它采用二级主开关电路，前级一般可用降压开关电路，后级可任意选择单端、半桥或桥式电路，二级开关电路用同一个控制电路，也就是控制电路产生的脉冲调宽讯号分别控制两级开关，因此两级开关的驱动脉冲宽度是相同的，这样输入电压和输出电压的关系为
    (3)
由式(3)可知，两级单控的电路拓扑，输入和输出的变化和d2成正比，也就是说和单级电路相比，同样Δd变化可得到更大的输入和输出比，大大拓宽了调节范围。
下面以前级为降压开关，后级为半桥开关的电路为例(见图2)，简要地说明电源设计要点。
设电源输入电压上限为Vin+ 、下限Vin-，输出电压上限为Vout+、下限Vout-，n为变压器T的变比，Vd为输出整流管压降，Vl为线路压降。
?首先根据输入下限、输出上限和满载，确定变压器的变比n：
   (4)
K为电路系数，半桥电路为2，其它电路为1，一般dmax可选择0.9~0.95，单端可选择0.45~0.48。
?根据输入电压上限、输出电压下限计算d值：
   (5)
一般希望dmin不小于0.2，因为d在0.9~0.2的范围内开关电源的工作参数是比较好的。
?校对空载时最小d值：
   (6)
因为输入电压通常采用整流滤波得到，轻载滤波电压会升高，ΔUin反映了整流滤波电路空载和负载的压差，实际应用结果d值一般不小于0.08。
?变压器最大电压的确定，以此确定变压器参数。
首先算出额定情况的导通比dh
  (7)
根据dh计算出额定工作情况的变压器原边工作电压
  (8)
根据VTh和n就可确定原幅边匝数及计算变压器和电路的其他参数。

设计举例
以图2电路为依据，设计最大输出为500W的电路。输入187~242VAC，输出2~50VDC可调，电流为10 A。计算步骤如下：
?确定变压器变比n：
设187VAC时经整流滤波后得到直流为Vin-=180VDC，选择dmax=0.9，Vd=1V，Vl=1V，

?最小dmin计算:
设输入电压242VAC时经整流滤波后得到的直流电压为280V，输出电压为2 V。

?空载时d值：
空载、输入电压Vin=242VAC时，经整流滤波后得到的直流电压为320V，输出2V。

?确定变压器的计算电压:
首先确定额定工作时的导通比dh

根据dh计算出额定工作情况的变压器原边工作电压

依据变压器的匝比n和工作电压VTh就可以计算变压器的参数。

结语
从以上的实例计算中可以看到，设计电源的输入从187~242VAC变化，输出可调范围为2V~50V，d值在0.2~0.9的范围的变化，该电路设计可以保证电路各参数在比较好的状态下工作，这样的结果单级开关是不可能达到的，由此也证明了二级单控电路的结构完全可以实现宽范围调节的要求，是一种相对简单和实用的电路结构。