中心論題:
- 通用串聯(lián)型開關(guān)電源的工作原理及優(yōu)缺點
- 恒流驅(qū)動模式寬電壓輸入的串聯(lián)型開關(guān)電源
解決方案:
- 電源采用MOSFET
- 電源采用特殊的恒流開關(guān)驅(qū)動方式
隨著電源市場的全球化,一些開關(guān)電源廠商各自采用正激、反激、交錯并聯(lián)控制等方式實現(xiàn)了90V~600V的交流電壓的寬電壓輸入,而各種工業(yè)用電子產(chǎn)品又要求具有直流電壓的寬電壓特性,一般為12V~30V,但近年來這個范圍已經(jīng)顯得不夠?qū)?,因?2V~48V的產(chǎn)品頻頻出現(xiàn),例如:韓國的S80S-DC、S125S-DC爆閃式信號燈和SEWN50-DC警報器等,現(xiàn)在很多用戶開始提出10V~80V的寬電壓產(chǎn)品。因此,研究在10V~100V范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定工作的開關(guān)電源勢在必行。
高速大功率MOSFET生產(chǎn)技術(shù)正迅速發(fā)展,使得MOSFET的工作頻率越來越高,并且驅(qū)動方式穩(wěn)定,價格越來越低廉,因此廣泛應(yīng)用在各種開關(guān)電源中。串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源雖具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)定性好、控制線路簡單等特點,但其調(diào)整管的功耗大,耐壓不是很高。集成電路組成的串聯(lián)式開關(guān)電源具有效率高、體積小、使用方便等特點,如L4960、LM2576、K34063等,但最大輸入電壓一般在50V以下,且由于采用固定頻率的PWM方式,因此輸入電壓必須高于輸出電壓時才能穩(wěn)定工作,在實際應(yīng)用中受到了一定的限制。
筆者提出的開關(guān)電源采用MOSFET和特殊的恒流開關(guān)驅(qū)動方式,使開關(guān)管在寬電壓范圍內(nèi)始終得到理想的驅(qū)動電壓,因此效率高、工作穩(wěn)定、成本低??蓱?yīng)用在工業(yè)用各種報警器產(chǎn)品和爆閃式信號燈中,以低成本實現(xiàn)寬電壓特性,可提高產(chǎn)品的競爭力。
通用串聯(lián)型開關(guān)電源的工作原理及優(yōu)缺點
通用串聯(lián)型開關(guān)電源的框圖如圖1所示。輸出電壓取樣后經(jīng)過誤差放大器放大后控制PWM發(fā)生器產(chǎn)生脈沖,脈沖經(jīng)過限流電阻后驅(qū)動開關(guān)管工作。開關(guān)管導(dǎo)通時電感儲存能量的同時給濾波電容和負(fù)載同時供電,開關(guān)管斷開時電感上儲存的能量釋放使負(fù)載得到較穩(wěn)定的連續(xù)電流,因此這種電源在小電感下可傳輸較大的功率,但由于其輸入電壓在寬范圍內(nèi)變化,很難選擇合適的限流電阻。如果選擇小的限流電阻,低電壓下的驅(qū)動特性較好,但高電壓時由于電阻上的損耗過大、開關(guān)管過飽和使得開關(guān)特性變差;選擇大的限流電阻時,高電壓下驅(qū)動特性較好,但低電壓時由于開關(guān)管工作在線性區(qū)而導(dǎo)致其過熱。
恒流驅(qū)動模式寬電壓輸入的串聯(lián)型開關(guān)電源
a.電路的組成
恒流驅(qū)動模式寬電壓輸入的串聯(lián)型開關(guān)電源的框圖如圖2所示。為了在驅(qū)動級上實現(xiàn)低損耗,必須控制驅(qū)動電流使開關(guān)管在小電流下獲得較理想的驅(qū)動波形。MOSFET是電壓控制器件,具有高輸入阻抗,且只需控制電壓,但具有較大的輸入電容,大約為500pF~1500pF, 因此采用恒流驅(qū)動方式控制MOSFET進(jìn)行開關(guān)時,若不采取特殊措施,則控制脈沖邊沿特性變差,開關(guān)損耗大,會嚴(yán)重發(fā)熱。
圖3為實際電路圖。由Q4、Q3、R6組成施密特比較器,產(chǎn)生開關(guān)信號。由D5、D6、R3、R1、D1組成的電路使施密特比較器工作在恒流狀態(tài)下,C4加速電容使脈沖下降沿非常陡。由Q2、R2、D3組成驅(qū)動級保證MOSFET迅速開關(guān),C3起軟驅(qū)動作用,上電時通過R1對C3充電,G點的電壓逐漸上升,Q3的輸出電流也逐漸增大。
b.恒流驅(qū)動模式的工作原理
通常組成施密特比較器的Q4、Q3都工作在開關(guān)方式,而圖3中Q4是按開關(guān)方式工作,Q3則工作在放大區(qū)和截止區(qū)。當(dāng)Q4截止時,由于D5、D6的存在,使Q3進(jìn)入恒流狀態(tài),輸出電流由式(1)決定。為了得到較好的驅(qū)動波形,把本電路的恒流電流設(shè)定為10mA,則該電流在R2兩端產(chǎn)生的壓降就是場效應(yīng)管的柵-源電壓VGS,設(shè)定為10V,使MOSFET飽和導(dǎo)通。
圖3中VF≈1V,施密特比較器的兩個比較點電壓分別為VH和VL,由式(2)和式(3)決定。
由于加速電容C4的作用,實際工作時,MOSFET的柵-源極輸入脈沖的下降沿非常陡,且又由于柵-源極輸入電容的作用,使VGS 波形具有一定的斜率,這有利于MOSFET的飽和導(dǎo)通。圖4為驅(qū)動波形。
圖5為當(dāng)輸出電壓為10V、電流為2A時,在不同輸入電壓狀態(tài)下,圖3中A點和B點的實測波形。由圖5可知,當(dāng)輸入電壓為13V時,MOSFET關(guān)斷時間很短,當(dāng)輸入電壓為10V時,MOSFET則一直導(dǎo)通。
c.MOSFET驅(qū)動級的工作原理
由Q2、R2、D3組成驅(qū)動級,使MOSFET迅速關(guān)閉。Q3在恒流源狀態(tài)工作時由于C4的作用,下拉的驅(qū)動能力很強(qiáng),下拉時D3導(dǎo)通使Q1迅速飽和。上拉能力取決于R2,如果不加Q2直接驅(qū)動Q1,則由于Q1的輸入電容,脈沖的上升沿較緩慢,Q1不能迅速截止,因此加Q2的作用是提高上拉能力,使Q1迅速截止。
d.恒流源的動態(tài)特性
由圖5可以看出,恒流源在輸入不同電壓時,在R2兩端產(chǎn)生的電壓VGS應(yīng)始終保持10V左右,以保證在寬電壓范圍內(nèi)可靠工作。為了驗證快速動態(tài)跟蹤性能,在輸入端上加了50Hz、60V的交流電壓,圖6為當(dāng)輸入電壓為交流時,圖3中A、B點及VG S的工作波形。從中可以看出,當(dāng)輸入電壓在很大范圍內(nèi)改變時,VG S 近似保持在10V左右,即圖中陰影帶部分。
實驗結(jié)果表明,采用MOSFET和特殊的恒流開關(guān)驅(qū)動方式的開關(guān)電源,能夠使開關(guān)管在10V~100V寬電壓范圍內(nèi)始終得到理想的驅(qū)動電壓,因此效率高、工作穩(wěn)定、電路簡單。