自适应同步斩波式小功率开关电源的设计

小容量、小体积的0.5W～2W的直流稳压电源广泛用于各种控制、检测、分析电子装置和家用电器、继电器驱动等电子设备中，特别是在小家电领域具有广泛的实用价值[1-2]，也可用于各种电子设备的待机电源。

现有的斩波式开关电源典型应用的集成电路有HV-2405E、CJM03、SR036和SR037等，这种集成电路的优点是线路简单，但有的无稳定电压输出，有的无软启动功能，有的输出电压不能改变，充电时尖脉冲大。另外，由于开关管使用场效应管，因此成本较高[3]，在实际使用中受到一定的限制。

本文设计的自适应同步斩波式开关电源具有软启动、输出电压可调、自动稳定输出电压、充电电流可调、开关管可使用廉价的晶体管等特点。

1 比较点固定的同步斩波式小功率电源的缺点

现有的此类电源都采用了比较点固定模式，电路模型如图1所示，工作波形如图2所示。图2中曲线1为交流220V整流后的波形，曲线2为固定的比较电压。由于在电容两端突然加上较高的电压，同时所加的电压按正弦规律很快下降，在t1时刻导通时产生很高的尖脉冲充电电流，此电流由于维持时间短，对充电的贡献不大，但却引起大于平均充电电流几十倍的电流，从而对整流桥和开关管产生很大的冲击。

充电时的充电电流由式(1)决定：

其中u为220V交流电压的正半周，uc为电源输出端电容两端的电压，R1为外接限流电阻，Rd为整流桥的导通等效电阻，Ron为开关管导通时的等效电阻。可见u和uc之差越大，充电电流越大。从t1～t2～t3时间内开关管总是导通，t2～t3时间内电压是按正弦规律逐渐上升的，因此电压超过输出电压的额定值时，充电电流开始有较大的突变，之后按正弦规律逐渐上升，其峰值不大但维持时间较长，因此对充电的贡献却是很大。从而得出结论：为了减少尖峰脉冲充电电流，不要在t1时刻导通开关管而是在适当延迟后导通，以便得到适当的充电电流，能量主要在t2～t3时间内传递。

2 自适应同步斩波式小功率开关电源

2.1 电路的组成

自适应同步式小功率开关电源的电路框图如图3所示，由电流限制电阻、整流桥、开关管、储能电容、输出电压检测器、比较器、自适应比较电压建立器等部分组成。

具体电路如图4所示，该电源的输出电压大小取决于稳压管D3的稳压值，可提供3V～30V输出电压，输出电流为100mA～300mA，如果要求输出电压稳压精度较高时输出端加简单的串联线性稳压电路即可。图中Q1、Q3为400V以上的高反压管，其余为30V以下的低反压管，因此成本较低。


2.2 工作原理

工作波形如图5所示。通电后电流经过R4对C3充电建立变动的比较电压Uref，由于R4、C3、R7及电路的寄生电容的作用，整流桥输出端电压不是按照ab曲线下降，而是按照ac曲线下降，因此t1时刻Q4的be结无电压不导通，而延迟到T1时刻后通过流经D1、R3、Q4的be结，因此Q4导通从而Q3、Q1导通，电流通过R2、整流桥、Q1给C2充电,由于此时充电电压较小只能引起较小的充电电流，经过T1～t2～t3时间C2充电后电压超过12V，此时Q2导通把Uref稳定在合适的大小。当电压超过Uref时D1截止, 通过R1、R3使Q4反相偏置，Q4迅速截止。为了减少R1反相电流，选取R1和R3时应满足R1>>R3。

图6为实测的工作波形图,可见电压下降处所产生的电流是上升处产生的电流的2倍左右，但对充电的贡献是5倍以上。

这种电源的另一个优点是当负载较轻时Uref自动下降，从而自动取消对充电贡献不大的下降沿处的充电，减少高频谐波。图7为负载较小时的工作波形。


2.3 电源特性

2.3.1 软启动特性

软启动工作过程如图8所示。接通电源时通过R4对C3充电建立比较点电压，由于输出电压未达到12V，因此Q2不导通，每通过半个周期C3的电压逐渐增加，导通角也逐渐增加，输出电压逐渐升高。当输出电压达到12V时，Q2开始导通限制C3的电压继续增加，最终稳定在合适的大小。

实测的工作波形如图9所示。可见电源接通后比较点电压Uref逐渐上升，经过269ms后进入稳定状态，而输出端电压经过104ms延迟后从0开始上升最终达到12V。


2.3.2 软启动时间的计算

软启动时间取决于交流电压的大小、R4、C3和比较电压Uref的大小，由式(2)可确定[4]。
　　
2.3.3 宽电压工作特性

图10表示输出电压为12V，输出电流为30mA时,改变输入电压分别为110V和220V时的导通角改变的波形图。电压的上升率在110V时比220V时小，因此导通角加大充电时间变长，电流上升率较低，有利于提高输出电压稳定度。实测结果表明，此种电源可在80V～280V的宽电压范围内工作，且输入电压较低时导通角增加，从而使输出电压稳定度有所提高。

自适应同步斩波式小功率开关电源与其他小功率电源相比，电路结构简单、功耗小、输出功率较大、体积小、成本低，因此有利于实现电子设备的小型化，提高性能价格比。