一種小型直流開關電源的反饋控制電路設計

摘要：本文首先對反饋控制電路的相關概念及原理作以介紹，然后針對本文設計的直流開關電源中的反饋控制電路具體設計過程進行了詳細分析。為實現(xiàn)小功率、高效率的設計思想，采用光耦817 和三端分流穩(wěn)壓管TL431 結合的PWM型電流調(diào)節(jié)方式進行設計。理論分析和實驗結果表明：該設計方案設計出的系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，從而進一步驗證了設計方案的合理性和有效性。

　　0 .引言

　　目前，在各種電子設備和現(xiàn)代通信設備中，為了在各種不同工作條件下滿足某些要求或?qū)崿F(xiàn)規(guī)定的一些技術指標，反饋控制電路已經(jīng)被廣泛應用。作為電子設備和系統(tǒng)中的一種自動調(diào)節(jié)電路，反饋控制電路主要作用就是當電子系統(tǒng)受到某種擾動情況下，系統(tǒng)能通過自身反饋控制電路的調(diào)節(jié)作用，對系統(tǒng)某些參數(shù)加以修正，從而使系統(tǒng)各項指標仍然達到預定精度。反饋控制電路通常由比較器、控制信號發(fā)生器、可控器件和反饋網(wǎng)絡四部分組成一個負反饋閉合環(huán)路，如圖1 所示。

圖1 反饋控制電路組成示意圖

　　本著小型化、小功率和高效率的設計思想，本文設計的反饋控制電路對應的直流開關電源主要技術要求如下：

　　輸入交流電壓：VACMIN=85V;VACMAX=265V;輸入電壓頻率：fL=50Hz;輸出電壓：VO=36V;輸出功率：PO=72W;電源效率：η=80%;損耗因子Z:Z=0.6（Z 表示次級損耗與總損耗之比）。

　　對應的直流開關電源組成如圖2 所示。

圖2 反饋控制電路對應的直流開關電源組成示意圖。

　　1.反饋控制電路設計過程

　　開關電源中的反饋控制電路是用來保證在負載變化的情況下輸出電壓、電流的穩(wěn)定。本文設計的反饋控制電路對應的直流開關電源是使用PWM 脈寬調(diào)制來保持輸出電壓的穩(wěn)定。其中PWM 調(diào)制分為電流控制方式和電壓控制方式，與后者相比，前者具有更好的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率，在減少元器件數(shù)量、降低成本、提高開關電源功率的同時，又可進一步確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性并使系統(tǒng)動態(tài)特性明顯改善，尤其對系統(tǒng)的小型化、模塊化、高效化具有重要意義。

　　另外，直流開關電源通常用的反饋為負反饋。在反饋中，通常采用的反饋有使用初級反饋成本最低（僅適于低功率的應用） ；使用光耦器/穩(wěn)壓管反饋成本低且輸出精度好；另外使用光耦器/TL431 反饋則輸出精度最好?？紤]到本文設計所體現(xiàn)出的小功率、高效率的原則，所以決定采用三端分流穩(wěn)壓管TL431 和光耦PC817 配合的PWM 型電流調(diào)節(jié)控制方式，分別進行參考、取樣、隔離、放大，從而組成負反饋環(huán)路。

　　1.1 反饋控制電路原理與設計

　　本文設計的反饋控制電路如圖3 所示，其基本控制原理為：當輸出電壓經(jīng)過R11和R12分壓后可得到采樣電壓，然后該采樣電壓與TL431 提供的2.5V 基準參考電壓加以比較，當輸出電壓正常時，則采樣電壓與TL431 的基準電壓2.5V 基本相等，所以TL431 的陰極電位保持不變，流過光耦中的發(fā)光二極管的電流也保持不變，從而TOP247Y 芯片的控制腳C 的電壓穩(wěn)定，則控制驅(qū)動占空比不變，輸出的電壓就保持穩(wěn)定。當輸出電壓與期望電壓偏低時，經(jīng)過分壓電阻R11、R12分壓后得到的分壓值就比2.5V 低，TL431 的陰極電位升高，流經(jīng)過光耦中發(fā)光二極管的電流減小，則流過光耦的CE 極的電流也降低，TOP247 的控制引腳C 的電位升高，使占空比增大，從而導致輸出電壓增大，以此來使輸出保持穩(wěn)定。當輸出電壓與期望電壓偏高時，經(jīng)過分壓電阻R11、R12分壓后得到的分壓值就比2.5V 高，TL431 的陰極電位降低，流經(jīng)過光耦中的發(fā)光二極管的電流增大，則流過光耦的CE 極的電流也升高，TOP247 的控制引腳C 的電位降低，使占空比減小，從而使得輸出電壓降低，以此來使輸出穩(wěn)定。

圖3 反饋控制電路示意圖。

1.2 TL431 及電阻分壓器的參數(shù)設置與分析

　　TL431 是一個可調(diào)的三端穩(wěn)壓管，利用外部電阻分壓器可以設定2.5V-36V 范圍內(nèi)任意基準電壓值。TL431 動態(tài)阻抗低，典型值為0.2歐姆。如圖3 所示，通過電阻分壓器R11 和R12 獲取電壓，與TL431 的基準電壓2.5V 加以比較構成誤差放大器，然后經(jīng)過PC817 的電流變化來進一步控制TOP247Y 的輸出占空比的變化。從TL431 技術參數(shù)可知，陰極工作電壓的允許范圍為2.5V-36V,陰極工作電流則在1~100mA 范圍內(nèi)變化。一般陰極電流選擇為20mA,這樣不但能穩(wěn)定工作而且能提供一部分死電阻。

　　假設流經(jīng)橋分壓器的電流為250uA,由于TL431 的參考電壓為2.5V,則：

　　又由于輸出電壓UO:

　　所以可以得到：