基于OB2263芯片的多路开关电源设计.pdf

收稿日期:基金项目:兰州市人才创新创业项目()甘肃省教育科技创新项目产业支撑计划项目()甘肃省科技计划项目重点研发计划()甘肃省教育科技创新项目产业支撑计划项目()作者简介:魏建升()男甘肃皋兰人工程师讲师文章编号:()基于 芯片的多路开关电源设计魏建升王志仁张 蓓(.兰州工业学院 电气工程学院甘肃 兰州.兰州环科泰电子科技有限公司甘肃 兰州)摘要:为实现小功率开关电源的微型化、高效化和低成本设计了一款基于 的反激式开关电源主要包括 滤波电路、整流滤波电路、开关管驱动电路、尖峰吸收电路、输出整流及滤波电路、输出反馈电路、过压保护电路等 对各部分电路所涉及的参数和设计过程进行分析并搭建电路验证设计的合理性 结果表明:设计的开关电源可以提供 路/输出和 路/输出具有稳定性好、精度高、效率高、纹波少的特点验证了设计的正确性关键词:开关电源反激式高频变压器多路输出中图分类号:.文献标志码:反激式开关电源基于电感式储能的基本原理通过先储能后将能量按各路电压比率供应给每一路进而实现功率的高效能转换 初期开关电源控制电路选择电压控制型采用电压型脉宽调制技术后来电流控制型 技术开始成熟 结合电压控制和电流控制构成双闭环控制回路较大提升了电压调整率和负载调制率并且系统相对更稳定 是一个高度集成的电流型 控制芯片常用于控制 功率变换器具有高性能、低待机功耗特点一般的多路输出开关电源是将不同路的绕组缠绕在同一变压器磁芯当中这样当电源有一路发生过压保护过流保护以及短路保护后其他路输出也会停止输出影响正常负载的供电针对上述问题本文先将交流电整流为直流电然后每一路使用单路变压器进行设计 当单路输出发生故障时不会影响其他路输出 课题来源于工业实际需求具有较高的研究意义及实用功效 多路开关电源设计方案多路开关电源是指具有多个输出电压的开关电源其设计方案如图 所示 主要由 滤波电路、整流滤波电路、电源变压器驱动电路、输出整流滤波电路组成图 硬件系统总体设计 电路原理图设计.电路设计及整流滤波电路 滤波器为电磁干扰滤波器 本设计采用第 卷 第 期 年 月兰州工业学院学报 .无源器件电感 来提高功率因数 由于 滤波电容和 滤波电容存储电能其在拔下插头后插头存在带电现象易出现因触摸插头而导致的触电事故 故本文在设计的过程中通过加入 和 来给电容放电以此来避免上述事故的发生 电路及整流滤波电路如图 所示图 电路及整流滤波电路.工作频率参数设计 芯片内部集成震荡电容因此只需在外部 与 之间设置适当的电阻对电容进行充放电即可确定 振荡器的频率 在标准工况下若规定 以千欧为单位则 与开关频率的计算式为 ().()芯片的经典设计参数为 故本文亦采用 的频率进行设计 通过式()可知本文需采用 的电阻来设计电路的工作频率 工作频率设计如图 所示图 工作频率设计.开关管的驱动电路设计开关管驱动电路如图 所示由 个电阻和 个二极管构成 其中为了防止驱动芯片发出驱动电压后损坏开关管加入电阻进行限流 设计了 电阻与二极管 用于功率管在关断的时候做迅速关断 开关管的驱动脉冲由 控制芯片的一脚接到 二极管的阴极来驱动功率管进行工作图 开关管的驱动电路.尖峰吸收电路设计为避免 因电压过高而被击穿设计了尖峰电压进钳位电路或者吸收电路来抑制尖峰电压 本设计将软钳位的电路并联到电源变压器的原边来对尖峰电压进行吸收以及钳位 尖峰吸收电路如图 所示图 尖峰吸收电路.过流及短路保护设计变压器原边 串联的支路中串联 个阻值较小的电阻用于检测流过变压器以及 的电流 当变压器副边输出电流变大时对应的原边电流也会增加此时电流检测电阻就会相应的输出检测电压值当电流检测电压值超过控制芯片的保护电压后将触发保护芯片停止输出 波形 管电流检测电路设计如图 所示图 管电流检测电路设计.输出整流及滤波电路的设计为防止尖峰电压击穿二极管在二极管两端并联了一个串联后的电阻与电容用来吸收尖峰电 兰州工业学院学报 第 卷压 值得注意的是当开关电源完全空载时此时将无法释放变压器中的能量因此还需加入一个虚拟负载用来消除此能量 输出整流滤波电路如图 所示图 输出整流滤波电路.输出反馈电路的设计开关电源的电压会因负载的变化而出现波动此时需要调节占空比以维持电压 具体为:随着负载的变重该电路将电流信号反馈回电源管理芯片 的占空比调节引脚来调节占空比的大小使输出电压维持在原来的状态 输出反馈电路如图 所示图 输出反馈电路 本电路的计算中 作为微调电位器不带入计算计算时看做短路 由于 的基准电压为.为避免因噪声干扰而影响电路工作的稳定性一般控制经过 的电流不小于 此时 最大为.因此该电阻最大不能超过.阻值可通过().计算得到为保证电路的稳定性此处将 设置为 由此可得 为 电阻 用于为 提供最小工作电流 的最小工作电流为 光耦处的压降为.此时 最大为.结合实际应用情况将其取 本次电路所使用的光耦为 该光耦的电流转换比最小为因此当所需光耦输出电流为 时光耦的输入为 此时 (.)由此可知 为.在实际使用中考虑到特殊阻值电阻较为罕见故此处选用接近该阻值的电阻进行替代并通过调节电路中 的电位器 来确定输出电压 和 为动态响应调节.过压保护电路设计过压保护电路主要由 与 及光耦 组成 过压保护电路如图 所示 电路由 的基本电路构成一个基准参考点输入到运算放大器的反向输入端作为电路判断的基准 用 个电阻串联分压输入到运算放大器的同相输入端 当电源电压升高后同向输入端的电位升高运算放大器输出高电平使光耦导通光耦另一端拉低控制芯片的 控制引脚电位使 输出占空比为 关断输出 当过压故障消失后电源重新启动图 过压保护电路 变压器设计设计参数确认后整理变压器所需要的设计参数 变压器设计参数如表 所示表 变压器设计参数 设计参数数值输入电压/()输出电压/输出电流/操作模式纹波系数 最大占空比.开关频率/预估效率/第 期 魏建升等:基于 芯片的多路开关电源设计 由于输入电压为交流电压故此处利用桥式整流后供开关电源使用 输入电压经整流后对应的直流电压最大值、最小值 为 .().()式中:分别为为整流后最大交流输入电压和最小交流输入电压此外因桥式整流电路正负周期有 只二极管串联导通其二极管压降 为.故需将其除去原边电感 为 ()式中:、分别为变压器原边电感和输出总功率本设计的输出参数为 、输出功率为 流过 管的电流峰值 为 ()式中:为最小输入功率流过 管的电流均方根值 为 .()变压器最小面积 为 .()法亦称面积乘积法其表示磁心有效截面积与窗口面积的乘积()有效截面积为 窗口面积为 当计算出变压器的最小面积 后即可在变压器的参数表中找出适合的变压器磁芯 需要注意的是必须留足余量同时还需要考虑是否易购买选出的磁芯 本设计中经查表选则了/的变压器磁芯该磁芯 值为 磁芯材质为 磁导率 为.原边匝数 为 .()变压器原边与副边匝比 为 ()().()变压器副边匝数 为.()考虑到本设计的输出电压为 缠绕匝数为 圈辅助绕组在同一磁芯上辅助供电电压为 故直接取 圈作为辅助绕组供电 整机组装与测试在硬件设计的基础上完成了 电路板的制作并完成了基于 芯片的多路开关电源的制作对整机进行组装与调试 整体开关电源实物如图 所示 首先将焊接调试好的单路电源板进行组装此处使用铜柱将单路电源板与其对应的孔连接使用导线连接整流滤波后的直流电为每一路电源板供电 组装完成后测试每一路的输出电压若电压不在范围内可继续调节输出微调电位器旋钮直至到设定的电压值 调整好输出电压后带负载进行测试由于 会触发过流保护测试最大只测试到 带载测试结果如表 所示 从表中可以看出该开关电源稳定性好、精度高、效率高图 开关电源实物表 带载测试负载电压/电流/电压/电流/电压/电流/第 路.第 路.第 路.第 路.第 路.第 路.兰州工业学院学报 第 卷 结语本设计采用 芯片设计制作了一款反激式的多路开关电源实现了 路 电流最高可达 路 电流最高可达 的输出 带载测试结果表明所设计的开关电源具有稳定性好、精度高、效率高、纹波少的特点 可以满足当今越来越多用电设备电压要求多样化且获取困难的现实需求参考文献:王水平周佳社李丹等.开关电源原理及应用设计.北京:电子工业出版社.沙占友庞志峰周万珍等.开关电源设计入门.北京:中国电力出版社.戴路张闽刘欢等.基于 的反激式开关电源设计.农业装备与车辆工程():.马洪涛周芬萍郭晓剑.从零学起开关电源设计入门.北京:化学工业出版社.施旭东徐军明.基于 的/开关电源.机电工程():.刘军赵同贺.新型开关电源典型电路设计与应用.北京:机械工业出版社.顾伟康.单端反激式开关电源变压器的设计.通信电源技术():.成珂.浅谈多层电路板电磁兼容设计.现代信息科技():.(.):./.:(责任编辑:杨春玲)第 期 魏建升等:基于 芯片的多路开关电源设计