開關(guān)電源中的輔助電源系統(tǒng)及其設(shè)計

1 引言

開關(guān)電源一般由功率主回路、輔助電源和控制回路組成。功率主回路主要用來給用戶負載供電，而開關(guān)電源的輔助電源主要用來給功率主回路的控制電路、驅(qū)動電路或電源系統(tǒng)的監(jiān)控電路供電。

輔助電源的設(shè)計不但影響到整個電源的體積、效率、穩(wěn)定性、可靠性和成本，而且還將影響到整個開關(guān)電源的設(shè)計策略。一個重要的原因就是隔離問題。例如在離線式開關(guān)電源中，如果其內(nèi)部的輔助電源和功率主回路輸入共地，那么就需要用光耦或變壓器來對輸出電壓采樣信號進行隔離，見圖1。而如果是內(nèi)部輔助電源和功率主電路輸出共地，則一般不需要對電壓采樣信號隔離，這時只需對驅(qū)動信號隔離。

圖1 輔助電源和輸入共地

2 開關(guān)電源輔助電源的特點及種類

由于所需輔助電源的功率一般較小，輔助電源應(yīng)該力求簡單、可靠和小巧。根據(jù)輔助電源與功率主回路的關(guān)系，開關(guān)電源中的輔助電源可以分為兩大類：

(1)獨立型：輔助電源獨立于功率主回路。主要用于大功率或中功率電源系統(tǒng)，比如在通訊電源、ATX電源中，需要電源正常或失敗信號或電源遠程控制的功能時，在功率主回路即使不工作時，輔助電源也要正常供電。下面是幾種常見的獨立型輔助電源設(shè)計方法。

第一種方法： 傳統(tǒng)的線性電源作為輔助電源。它是用普通的矽鋼片低頻變壓器降壓后，又經(jīng)過四只二極管全波整流，經(jīng)C5、C6平滑濾波后加到三端穩(wěn)壓器7815輸入端。電路見圖2：

圖 2 低頻變壓器構(gòu)成的輔助電源

這種設(shè)計中，低頻變壓器的體積往往選的足夠大，以滿足各種安全規(guī)范中對絕緣和漏電特性的要求。但由于它的簡單、可靠和方便，以及完全的隔離特性，所以在大功率開關(guān)電源系統(tǒng)中，低頻變壓器不會影響到整個電源的尺寸和造價時，它將是一個不錯的選擇。

第二種方法：一種不用低頻變壓器降壓的簡易輔助電源。它的實用電路見圖4。用兩只無極性的高頻電容C6 、C7，直接從兩路220V(經(jīng)過輸入濾波電路之后)電網(wǎng)電壓中取得低頻脈動電壓，并串聯(lián)兩只電阻R2、R3限流。然后經(jīng)過四只二極管全波整流，最后再輸入集成穩(wěn)壓器7815，以提供所需電壓。IC輸入端并聯(lián)一只穩(wěn)壓二極管箝位，防止浪涌電壓損壞7815。

圖 3 一種不用低頻變壓器降壓的簡易輔助電源

第三種方法：由自激式開關(guān)變換器構(gòu)成非常輕巧的輔助電源，可以方便地產(chǎn)生多路輔助電源。圖4是由一個自激式反激式變換器構(gòu)成的輔助電源。

圖 4 一種自激式反激式高頻變換器構(gòu)成的輔助電源

這個輔助電源適合于110/220Vac輸入。開始時由于通過R1、R2的基級驅(qū)動電流，Q1開始導(dǎo)通，繞組P2上的反饋電壓將加速Q(mào)1的開通過程。隨著Q1的導(dǎo)通，初級線圈P1上的電流將線性增加，而R3上的電流也線性增加，Q發(fā)射級電壓增加，導(dǎo)致R2上的電流減小,Q1開始關(guān)斷。由于P2上的反饋電壓方向，所以將加速Q(mào)1的關(guān)斷過程。在反激階段，繞組P3和D10把反激的大部分能量回饋到輸入，只有一小部分能量通過D11傳送到輸出。根據(jù)變壓器鐵芯選擇適當?shù)某跫壘€圈，使得在Q1開通階段儲存的能量至少是所需輔助輸出能量的3-4倍，這樣二極管D10在反激階段始終導(dǎo)通，次級電壓就完全由初級電壓和砸數(shù)比決定，這樣做的好處是易于設(shè)定輔助電源的輸出電壓。

第四種方法：用單片電源芯片，如Topswitch或Tinyswtich系列芯片，可以方便的做成高性能小功率的輔助電源。圖5是topswitch 芯片在單端反激式單片開關(guān)電源中的典型應(yīng)用。

圖 5 Topswitch在單端反激式單片開關(guān)電源中的應(yīng)用

Topwitch 器件集PWM信號控制電路及功率開關(guān)場效應(yīng)管于一體，內(nèi)部集成了自啟動電路，所以只要配以少量的外圍元器件，就可以構(gòu)成一個電路結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、性能穩(wěn)定、制作及調(diào)試方便的單片開關(guān)電源，作為電源系統(tǒng)中的輔助電源。這種方法已得到廣泛應(yīng)用。

(2)非獨立型：由主變換器高頻變壓器輸出的一部分構(gòu)成輔助電源。主要用于中小功率電源系統(tǒng)，有利于減小整個電源的體積，實現(xiàn)小型化，節(jié)約成本。特點是輔助電源與主變換器二者的工作狀態(tài)互相制約。如果輔助電源不給控制電路供電，主變換器將不工作。而當主電路不工作，輔助電路也隨之關(guān)閉。所以在電源的啟動階段需要一些方法給控制電路提供能量，然后過渡到正常的工作狀態(tài)。

第一種啟動方法：啟動時直接由直流輸入端提供起動電壓，如圖6。

圖6 啟動電壓由直流輸入線提供

這是一個由UC3842構(gòu)成的反激式小型開關(guān)電源，它的輔助電源由主變換器變壓器一個繞組提供。在啟動階段，由直流輸入端經(jīng)過電阻分壓后加到UC3842的供電端(7端)，給電容C2充電，等到UC3842的7腳電壓超過16V時，芯片起振，PWM信號產(chǎn)生，變換器工作，輔助電源電壓開始建立。但由于限流電阻RIN的作用，有可能使得芯片7腳電壓降低至10V而使得芯片停止工作。之后主電路又通過RIN電阻給UC3842芯片供電，芯片工作。如此反復(fù)，直至芯片正常工作所需的輔助電源電壓建立后，電源才正常工作。

第二種啟動方法：脈沖發(fā)生電路構(gòu)成啟動電路，如圖7所示。啟動時由D1、C4、R4、R5和Q組成的脈沖發(fā)生電路來驅(qū)動Mosfet功率管，主變換器工作，C6、C7上的電壓開始增加，直至輔助電源建立后，電源的控制芯片就開始工作。其產(chǎn)生的PWM信號通過脈沖變壓器T1驅(qū)動Mosfet，此時由于脈沖變壓器T1副邊上的電壓幅度增大，雙向觸發(fā)二極管DIAC關(guān)閉，脈沖發(fā)生電路停止工作，起動過程結(jié)束，整個電源開始正常工作。

圖7 脈沖發(fā)生電路構(gòu)成啟動電路

3 開關(guān)電源中的輔助電源設(shè)計的原則

雖然輔助電源所需要輸出功率不大，但它是開關(guān)電源中的非常重要的組成部分，將影響到整個電源的性能。開關(guān)電源正向著輕、小、薄、高可靠、高穩(wěn)定、高效率和智能化的方向發(fā)展，應(yīng)根據(jù)整個開關(guān)電源系統(tǒng)的規(guī)格要求來選擇合適的輔助電源系統(tǒng)，首先在滿足可靠性的前提下，設(shè)計簡單、輕巧和經(jīng)濟的輔助電源。