摘 要： 提出了一種與電源頻率同步的小功率開關電源的設計方法。這種電源結構簡單，有自適應功能，可在50Hz和60Hz頻率的110V～220V寬電壓范圍內工作，有軟啟動功能和穩壓功能，可簡單地構成輸出功率在2W以內的小功率電源。
關鍵詞： 同步；寬電壓；小功率
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小容量、小體積的0.5W～2W的直流穩壓電源廣泛用于各種控制、檢測、分析電子裝置和家用電器、繼電器驅動等電子設備中，特別是在小家電領域具有廣泛的實用價值[1-2]，也可用于各種電子設備的待機電源。
現有的斬波式開關電源典型應用的集成電路有HV-2405E、CJM03、SR036和SR037等，這種集成電路的優點是線路簡單，但有的無穩定電壓輸出，有的無軟啟動功能，有的輸出電壓不能改變，充電時尖脈沖大。另外，由于開關管使用場效應管，因此成本較高[3]，在實際使用中受到一定的限制。
本文設計的自適應同步斬波式開關電源具有軟啟動、輸出電壓可調、自動穩定輸出電壓、充電電流可調、開關管可使用廉價的晶體管等特點。
1 比較點固定的同步斬波式小功率電源的缺點
現有的此類電源都采用了比較點固定模式，電路模型如圖1所示，工作波形如圖2所示。圖2中曲線1為交流220V整流后的波形，曲線2為固定的比較電壓。由于在電容兩端突然加上較高的電壓，同時所加的電壓按正弦規律很快下降，在t1時刻導通時產生很高的尖脈沖充電電流，此電流由于維持時間短，對充電的貢獻不大，但卻引起大于平均充電電流幾十倍的電流，從而對整流橋和開關管產生很大的沖擊。
充電時的充電電流由式(1)決定：
其中u為220V交流電壓的正半周，uc為電源輸出端電容兩端的電壓，R1為外接限流電阻，Rd為整流橋的導通等效電阻，Ron為開關管導通時的等效電阻。可見u和uc之差越大，充電電流越大。從t1～t2～t3時間內開關管總是導通，t2～t3時間內電壓是按正弦規律逐漸上升的，因此電壓超過輸出電壓的額定值時，充電電流開始有較大的突變，之后按正弦規律逐漸上升，其峰值不大但維持時間較長，因此對充電的貢獻卻是很大。從而得出結論：為了減少尖峰脈沖充電電流，不要在t1時刻導通開關管而是在適當延遲后導通，以便得到適當的充電電流，能量主要在t2～t3時間內傳遞。
2 自適應同步斬波式小功率開關電源
2.1 電路的組成
自適應同步式小功率開關電源的電路框圖如圖3所示，由電流限制電阻、整流橋、開關管、儲能電容、輸出電壓檢測器、比較器、自適應比較電壓建立器等部分組成。
具體電路如圖4所示，該電源的輸出電壓大小取決于穩壓管D3的穩壓值，可提供3V～30V輸出電壓，輸出電流為100mA～300mA，如果要求輸出電壓穩壓精度較高時輸出端加簡單的串聯線性穩壓電路即可。圖中Q1、Q3為400V以上的高反壓管，其余為30V以下的低反壓管，因此成本較低。
2.2 工作原理
工作波形如圖5所示。通電后電流經過R4對C3充電建立變動的比較電壓Uref，由于R4、C3、R7及電路的寄生電容的作用，整流橋輸出端電壓不是按照ab曲線下降，而是按照ac曲線下降，因此t1時刻Q4的be結無電壓不導通，而延遲到T1時刻后通過流經D1、R3、Q4的be結，因此Q4導通從而Q3、Q1導通，電流通過R2、整流橋、Q1給C2充電,由于此時充電電壓較小只能引起較小的充電電流，經過T1～t2～t3時間C2充電后電壓超過12V，此時Q2導通把Uref穩定在合適的大小。當電壓超過Uref時D1截止, 通過R1、R3使Q4反相偏置，Q4迅速截止。為了減少R1反相電流，選取R1和R3時應滿足R1>>R3。
圖6為實測的工作波形圖,可見電壓下降處所產生的電流是上升處產生的電流的2倍左右，但對充電的貢獻是5倍以上。
這種電源的另一個優點是當負載較輕時Uref自動下降，從而自動取消對充電貢獻不大的下降沿處的充電，減少高頻諧波。圖7為負載較小時的工作波形。
2.3 電源特性
2.3.1 軟啟動特性
軟啟動工作過程如圖8所示。接通電源時通過R4對C3充電建立比較點電壓，由于輸出電壓未達到12V，因此Q2不導通，每通過半個周期C3的電壓逐漸增加，導通角也逐漸增加，輸出電壓逐漸升高。當輸出電壓達到12V時，Q2開始導通限制C3的電壓繼續增加，最終穩定在合適的大小。
?實測的工作波形如圖9所示。可見電源接通后比較點電壓Uref逐漸上升，經過269ms后進入穩定狀態，而輸出端電壓經過104ms延遲后從0開始上升最終達到12V。
2.3.2 軟啟動時間的計算
軟啟動時間取決于交流電壓的大小、R4、C3和比較電壓Uref的大小，由式(2)可確定[4]。
2.3.3 寬電壓工作特性
圖10表示輸出電壓為12V，輸出電流為30mA時,改變輸入電壓分別為110V和220V時的導通角改變的波形圖。電壓的上升率在110V時比220V時小，因此導通角加大充電時間變長，電流上升率較低，有利于提高輸出電壓穩定度。實測結果表明，此種電源可在80V～280V的寬電壓范圍內工作，且輸入電壓較低時導通角增加，從而使輸出電壓穩定度有所提高。
自適應同步斬波式小功率開關電源與其他小功率電源相比，電路結構簡單、功耗小、輸出功率較大、體積小、成本低，因此有利于實現電子設備的小型化，提高性能價格比。
參考文獻
[1] 包爾恒，王志強.TinySwitch-II及其在小功率開關電源中的應用.電子技術應用，2003，29(10)：78-80.
[2] 金永鎬，金山海.基于電解電容降壓的無變壓器小容量直流穩壓電源[J].信息技術，2006，30(10)：65-67.
[3] 楊幫文.新型使用電源電路集錦[M].北京：人民郵電出版社，2000.
[4] 麻幼學.全波整流電容濾波電路輸出電壓波形與電壓平均值公式的討論[J].肇慶學院學報，2004，25(2)：1-6.