開關電源適配器的設計與製作要從主電路開始,其中功率變換電路是開關電源適配器的核心。功率變換電路的結構也稱開關電源拓扑結構,該結構有多種類型。拓扑結構也決定了與之配套的PWM控制器和輸出整流/濾波電路。下面介紹開關電源適配器設計與製作的一般流程。
1. 確定電路的結構
無論是AC/DC開關電源還是DC/DC開關電源,其核心都是DC/DC變換器。因此,開關電源適配器的電路結構就是指DC/DC變換器的結構。開關電源中常用的DC/DC變換器拓扑結構如下:
a) 降壓式變換器(Buck Converter),亦稱降壓式穩壓器。
b) 升壓式變換器(Boost Converter),亦稱升壓式穩壓器。
c) 反激式(亦稱回掃式)變換器(Flyback Converter)。
d) 正激式變換器(Forward Converter)。
e) 半橋式變換器(Half Bridge Converter)。
f) 全橋式變換器(Full Bridge Converter)。
g) 推挽式變換器(Push-pull Converter)。
降壓式變換器和升壓式變換器主要用於輸入、輸出不需要隔離的DC/DC開關電源中;反激式變換器主要用於輸入、輸出需要隔離的小功率AC/DC或DC/DC開關電源中;正激式變換器主要用於輸入、輸出需要隔離的較大功率AC/DC或DC/DC開關電源中;半橋式變換器和全橋式變換器主要用於輸入、輸出需要隔離的大功率AC/DC或DC/DC開關電源中,其中全橋式變換器能夠提供比半橋式變換器更大的輸出功率;推挽式變換器主要用於輸入/輸出需要隔離的較低輸入電壓的DC/DC或DC/AC開關電源中。
降壓式變換器的輸出電壓低於輸入電壓,升壓式變換器的輸出電壓大於輸入電壓。在反激式、正激式、半橋式、全橋式和推挽式等具有隔離變壓器的DC/DC變換器中,可以通過調節高頻變壓器的一、二次匝數比,很方便地實現電源的降壓、升壓和極性變換。此類變換器既可以是升壓型,也可以是降壓型,還可以是極性變換型。在設計開關電源適配器時,首先要根據輸入電壓、輸出電壓、輸出電流的大小,以及是否需要電氣隔離,來選擇合適的電路結構。
2. 選擇控制電路
開關電源適配器是通過控制功率MOS場效應管或功率晶體管的導通與關斷時間來實現電壓變換的,其控制方式主要有脈衝寬度調製、脈衝頻率調製和混合調製三種。脈衝寬度調製方式,簡稱脈寬調製(英文Pulse Width Modulation,縮寫PWM);脈衝頻率調製方式,簡稱脈頻調製(英文Pulse Frequency Modulation,縮寫PFM);混合調製方式,是脈衝寬度和開關頻率均不固定,彼此都能改變的方式。
PWM方式,具有固定的開關頻率,通過改變脈衝寬度來調節占空比,因此開關週期也是固定的,這就為設計濾波電路提供了方便,所以應用最為普遍。目前,開關電源適配器大多採用此方式。為便於開關電源廠家的設計,眾多IC廠家將PWM控制器設計成集成電路,以方便電源工廠選擇。在早期的電源適配器產品中,我們常用的PWM控制器如下:
a) 自激振盪型RCC控制電路。
b) TL494電壓型PWM控制電路。
c) SG3525電壓型PWM控制電路。
d) UC3842電流型PWM控制電路。
e) TOPSwitch-II系列的PWM控制電路。
f) TinySwitch系列的PWM控制電路。
自激振盪型RCC控制電路通過啟動電阻,利用高頻變壓器的正反饋繞組實現功率開關管的飽和導通,利用功率管的退飽和特性實現功率開關晶體管的關斷。通過控制功率開關管基極電流大小實現脈衝寬度調製。具有結構簡單、成本低廉的特點,適合在小功率的反激式開關電源適配器中應用,例如各種電器設備的待機電源、手機充電器等。
TL494是電壓型PWM控制電路芯片,具有固定振盪頻率,它包含了開關電源需要的全部控制功能,廣氾應用於推挽式、半橋式、全橋式拓扑結構的開關電源。內置功率晶體管可提供500mA的驅動能力,具有推或拉兩種輸出方式,適合驅動雙極型功率開關晶體管。適合構成較大功率的開關電源。
SG3525也是電壓型PWM控制電路芯片,是SG3524的改進產品,SG3524的功能與TL494的功能基本相同。SG3525內置軟啟動電路,具有輸入欠電壓鎖定功能,可實現逐個脈衝關斷。其驅動輸出級採用了推挽式電路結構,灌電流/拉電流能力超過200mA,關斷速度更快。不但能夠驅動雙極型功率開關晶體管,更適合驅動場效應功率管(MOSFET),以便獲得更高的開關頻率和電源轉換效率。
UC3842是電流型PWM控制芯片電路,她具有引腳少、外圍電路簡單、性能優良、單價低廉等優點,適合構成小功率單端反激式開關電源,是目前單端PWM控制電路的一種優選型號。該電路具有欠電壓鎖定功能和大電流圖騰柱式輸出結構,適合驅動雙極型功率管和場效應功率管。其電流型控制模式,很容易實現對每個週期的峰值電流限制,能有效防止高頻變壓器的磁飽和,提高了開關電源適配器的可靠性。
TOPSwitch-II系列單片開關電源是將PWM控制系統的全部功能集成到三端芯片中。內含脈寬調製器、場效應功率管、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環路補償電路,通過高頻變壓器即可實現輸出端與電網完全隔離。外部僅需配整流濾波器、高頻變壓器、漏極鉗位保護電路、反饋電路和輸出整流濾波電路,即可構成反激式開關電源適配器。
TinySwitch系列單片開關電源是美國PI公司推出的一種高效率、小功率、低成本的四端單片開關電源專用IC。TinySwitch系列比TOPSwitch-II系列三端單片開關電源增加了一個使能端,使用也更加方便、靈活。其控制系統實際上是採用跳過週期的方式實現穩壓過程的,等效為脈衝頻率調製器。該系列產品特別適合製作10W以下的微型開關電源適配器或者待機電源。
在設計開關電源適配器時,要根據主電路的拓扑結構、輸出功率的大小、電源的應用領域等選擇合適的PWM控制電路。