開關(guān)電源中的輔助電源系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)

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(lái)給用戶負(fù)載供電，而開關(guān)電源的輔助電源主要用來(lái)給功率主回路的控制電路、驅(qū)動(dòng)電路或電源系統(tǒng)的監(jiān)控電路供電。

輔助電源的設(shè)計(jì)不但影響到整個(gè)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(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)策略。一個(gè)重要的原因就是隔離問(wèn)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(lái)對(duì)輸出電壓采樣信號(hào)進(jìn)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(duì)電壓采樣信號(hào)隔離，這時(shí)只需對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(diǎn)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(jiǎn)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(dú)立型：輔助電源獨(dú)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?；蚴⌒盘?hào)或電源遠(yuǎn)程控制的功能時(shí)，在功率主回路即使不工作時(shí)，輔助電源也要正常供電。下面是幾種常見的獨(dú)立型輔助電源設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)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(duì)絕緣和漏電特性的要求。但由于它的簡(jiǎn)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(huì)影響到整個(gè)電源的尺寸和造價(jià)時(shí)，它將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

第二種方法：一種不用低頻變壓器降壓的簡(jiǎn)易輔助電源。它的實(shí)用電路見圖4。用兩只無(wú)極性的高頻電容C6 、C7，直接從兩路220V(經(jīng)過(guò)輸入濾波電路之后)電網(wǎng)電壓中取得低頻脈動(dòng)電壓，并串聯(lián)兩只電阻R2、R3限流。然后經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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(gè)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(gè)輔助電源適合于110/220Vac輸入。開始時(shí)由于通過(guò)R1、R2的基級(jí)驅(qū)動(dòng)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(guò)程。隨著Q1的導(dǎo)通，初級(jí)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(jí)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(guò)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(guò)D11傳送到輸出。根據(jù)變壓器鐵芯選擇適當(dāng)?shù)某跫?jí)線圈，使得在Q1開通階段儲(chǔ)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(jí)電壓就完全由初級(jí)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(hào)控制電路及功率開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管于一體，內(nèi)部集成了自啟動(dòng)電路，所以只要配以少量的外圍元器件，就可以構(gòu)成一個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dú)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(gè)電源的體積，實(shí)現(xiàn)小型化，節(jié)約成本。特點(diǎn)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(dāng)主電路不工作，輔助電路也隨之關(guān)閉。所以在電源的啟動(dòng)階段需要一些方法給控制電路提供能量，然后過(guò)渡到正常的工作狀態(tài)。

第一種啟動(dòng)方法：?jiǎn)?dòng)時(shí)直接由直流輸入端提供起動(dòng)電壓，如圖6。

圖6 啟動(dòng)電壓由直流輸入線提供

這是一個(gè)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(gè)繞組提供。在啟動(dòng)階段，由直流輸入端經(jīng)過(guò)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(guò)16V時(shí)，芯片起振，PWM信號(hào)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(guò)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(dòng)方法：脈沖發(fā)生電路構(gòu)成啟動(dòng)電路，如圖7所示。啟動(dòng)時(shí)由D1、C4、R4、R5和Q組成的脈沖發(fā)生電路來(lái)驅(qū)動(dòng)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(hào)通過(guò)脈沖變壓器T1驅(qū)動(dòng)Mosfet，此時(shí)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(dòng)過(guò)程結(jié)束，整個(gè)電源開始正常工作。

圖7 脈沖發(fā)生電路構(gòu)成啟動(dòng)電路

3 開關(guān)電源中的輔助電源設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)的規(guī)格要求來(lái)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(jì)簡(jiǎn)單、輕巧和經(jīng)濟(jì)的輔助電源。