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基于恒流驱动模式的宽电压输入串联型开关电源

2008-07-24
作者:金永镐, 郑春善

    摘 要:提出了一种基于恒流" title="恒流">恒流驱动模式的能在10V~100V宽电压" title="宽电压">宽电压范围内工作的串联型开关稳压电源,这种开关电源" title="开关电源">开关电源采用MOSFET和特殊的恒流开关驱动方式,使开关管" title="开关管">开关管在宽电压范围内始终得到理想的驱动电压,因此效率高、工作稳定、成本低。可应用在工业用各种报警器产品和爆闪式信号灯中。
    关键词:宽电压 恒流驱动 效率高 成本低

 

    随着电源市场的全球化,一些开关电源厂商各自采用正激[1]、反激[2]、交错并联控制[3]等方式实现了90V~600V的交流电压的宽电压输入,而各种工业用电子产品又要求具有直流电压的宽电压特性,一般为12V~30V,但近年来这个范围已经显得不够宽,因此12V~48V的产品频频出现,例如:韩国的S80S-DC、S125S-DC爆闪式信号灯和SEWN50-DC警报器等,现在很多用户开始提出10V~80V的宽电压产品。因此,研究在10V~100V范围内能够稳定工作的开关电源势在必行。
    高速大功率MOSFET生产技术正迅速发展,使得MOSFET的工作频率越来越高,并且驱动方式稳定,价格越来越低廉,因此广泛应用在各种开关电源中。串联直流稳压电源虽具有调压范围宽、稳定性好、控制线路简单等特点,但其调整管的功耗大,耐压不是很高[4]。集成电路组成的串联式开关电源具有效率高、体积小、使用方便等特点,如L4960、LM2576、K34063等,但最大输入电压" title="输入电压">输入电压一般在50V以下[5-6],且由于采用固定频率的PWM方式,因此输入电压必须高于输出电压时才能稳定工作,在实际应用中受到了一定的限制。
    笔者提出的开关电源采用MOSFET和特殊的恒流开关驱动方式,使开关管在宽电压范围内始终得到理想的驱动电压,因此效率高、工作稳定、成本低。可应用在工业用各种报警器产品和爆闪式信号灯中,以低成本实现宽电压特性,可提高产品的竞争力。
1 通用串联型开关电源的工作原理及优缺点
   通用串联型开关电源的框图如图1所示。输出电压取样后经过误差放大器放大后控制PWM发生器产生脉冲,脉冲经过限流电阻后驱动开关管工作。开关管导通时电感储存能量的同时给滤波电容和负载同时供电,开关管断开时电感上储存的能量释放使负载得到较稳定的连续电流,因此这种电源在小电感下可传输较大的功率,但由于其输入电压在宽范围内变化,很难选择合适的限流电阻。如果选择小的限流电阻,低电压下的驱动特性较好,但高电压时由于电阻上的损耗过大、开关管过饱和使得开关特性变差;选择大的限流电阻时,高电压下驱动特性较好,但低电压时由于开关管工作在线性区而导致其过热。

                      
2 恒流驱动模式宽电压输入的串联型开关电源
2.1电路的组成
    恒流驱动模式宽电压输入的串联型开关电源的框图如图2所示。为了在驱动级上实现低损耗,必须控制驱动电流使开关管在小电流下获得较理想的驱动波形。MOSFET是电压控制器件,具有高输入阻抗,且只需控制电压,但具有较大的输入电容,大约为500pF~1500pF, 因此采用恒流驱动方式控制MOSFET进行开关时,若不采取特殊措施,则控制脉冲边沿特性变差,开关损耗大,会严重发热。

                       
    图3为实际电路图。由Q4、Q3、R6组成施密特比较器,产生开关信号。由D5、D6、R3、R1、D1组成的电路使施密特比较器工作在恒流状态下,C4加速电容使脉冲下降沿非常陡。由Q2、R2、D3组成驱动级保证MOSFET迅速开关,C3起软驱动作用,上电时通过R1对C3充电,G点的电压逐渐上升,Q3的输出电流也逐渐增大。

                     
2.2 恒流驱动模式的工作原理
    通常组成施密特比较器的Q4、Q3都工作在开关方式,而图3中Q4是按开关方式工作,Q3则工作在放大区和截止区。当Q4截止时,由于D5、D6的存在,使Q3进入恒流状态,输出电流由式(1)决定。为了得到较好的驱动波形,把本电路的恒流电流设定为10mA,则该电流在R2两端产生的压降就是场效应管的栅-源电压VGS,设定为10V,使MOSFET饱和导通。
   

    图3中VF≈1V,施密特比较器的两个比较点电压分别为VH和VL,由式(2)和式(3)决定。
   

   

    由于加速电容C4的作用,实际工作时,MOSFET的栅-源极输入脉冲的下降沿非常陡,且又由于栅-源极输入电容的作用,使VGS 波形具有一定的斜率,这有利于MOSFET的饱和导通。图4为驱动波形。

                      
    图5为当输出电压为10V、电流为2A时,在不同输入电压状态下,图3中A点和B点的实测波形。由图5可知,当输入电压为13V时,MOSFET关断时间很短,当输入电压为10V时,MOSFET则一直导通。

                      
2.3 MOSFET驱动级的工作原理
    由Q2、R2、D3组成驱动级,使MOSFET迅速关闭。Q3在恒流源状态工作时由于C4的作用,下拉的驱动能力很强,下拉时D3导通使Q1迅速饱和。上拉能力取决于R2,如果不加Q2直接驱动Q1,则由于Q1的输入电容,脉冲的上升沿较缓慢,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。
2.4 恒流源的动态特性
    由图5可以看出,恒流源在输入不同电压时,在R2两端产生的电压VGS应始终保持10V左右,以保证在宽电压范围内可靠工作。为了验证快速动态跟踪性能,在输入端上加了50Hz、60V的交流电压,图6为当输入电压为交流时,图3中A、B点及VG S的工作波形。从中可以看出,当输入电压在很大范围内改变时,VG S 近似保持在10V左右,即图中阴影带部分。
    实验结果表明,采用MOSFET和特殊的恒流开关驱动方式的开关电源,能够使开关管在10V~100V宽电压范围内始终得到理想的驱动电压,因此效率高、工作稳定、电路简单。
参考文献
[1] 顾亦磊,顾晓明,吕征宇,等.一种新颖的宽范围双管正激型DC/DC变换器[J].中国电机工程学报,2005,25(2):
 44-48.
[2] 陈颖,尹华杰.一种具有较宽输入电压范围的电源适配器的设计[J].通信电源技术,2006,23(4):44-46.
[3] 芦炜,吴新科,钱照明.一种交错并联控制的宽范围输入直流变换器[J].电力电子技术,2006,40(6):87-89.
[4] 刘华毅,李霞,徐景德.基于单片机的宽范围连续可调直流稳压电源[J].电力电子技术,2001,35(6):7-8.
[6] 王恒.基于LM2576的高可靠MCU电源设计[J].中国西部科技,2006(29):22-23.

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