Sepic直流穩(wěn)壓器的設計

　　電子設備正常工作需要良好穩(wěn)定的直流電源，現(xiàn)如今大部分外部供電電源是交流電，通常由火力發(fā)電、水力發(fā)電、核子發(fā)電及風力發(fā)電獲得。所得交流電源通過直流穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為電子設備所需各類別直流電源，供其使用。當電網(wǎng)或負載變化時，直流穩(wěn)壓電源能保持穩(wěn)定的輸出電壓，且紋波較小凹。穩(wěn)壓電源自半個多世紀發(fā)展以來，技術已日趨成熟，近20年來，集成開關電源沿兩個方向發(fā)展;第一個方向是對開關電源的控制電路實現(xiàn)集成化。

? ? ? ? 第二個方向是實現(xiàn)中、小功率開關電源單片集成化。市場上穩(wěn)壓電源產(chǎn)品種類繁多，且大都滿足效率高、輸出穩(wěn)定、可靠性高等特性。大多數(shù)采用高頻變壓器，其成本相對高。該直流穩(wěn)壓器采用Sepic 和Buck 電路為主電路，輔助電源采用高頻變壓器，充分利用現(xiàn)代電力電子技術，在滿足可靠性、穩(wěn)定性前提下，寬范圍輸人交流電源時輸出穩(wěn)定的直流電壓，且成本相對低，易于調(diào)試及維修。

　　1、系統(tǒng)原理設計

　　交流輸入電壓經(jīng)過輸入保護電路中的整流濾波產(chǎn)生的高壓直流既作為輔助電源的輸入電壓，進而提供芯片工作電 壓;又是DC-DC/DC-DC 變換 器 的輸人電壓，DC-DC/DC-DC變換器是進行功率變換的器件，是開關電源的核心口2，DC-DC/DC-DC 變換器輸出電壓經(jīng)過反饋電路進行取樣與設定參考電壓比較，調(diào)節(jié)PWM 占空比的大小，進而調(diào)節(jié)輸出電壓，使其保持穩(wěn)定。輸出帶有過壓過流保護電路，當電壓電流過大時關斷PWM 信號，無電壓輸出。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　2、輸入保護電路的設計

　　輸入保護部分主要有壓敏電阻RV，熱敏電阻RT，保險管，濾波線圈L0，和整流橋及濾波電容C16組成，壓敏電阻RV 用于交流輸入的過壓保護，即浪涌吸收。濾波線圈LO 及電容CO 構成了EMI，濾除噪聲干擾。選擇整流橋器件時時，要考慮可承受足夠的反向耐壓，沖擊電流要大于額定整流電流的7~10 倍。熱敏電阻RT 是具有負溫度特性（NTC）電阻，限制啟動時C16 的充電電流峰值，啟動過后，該電阻阻值會降到很小，其消耗的功率基本可忽略不計。其電路圖如圖2 所示。

　　3、輔助電源的設計

　　所設計的Sepic 直流穩(wěn)壓器正常工作時，需要為PWM 控制芯片及隔離驅(qū)動提供兩路獨立電源。輔助電源采用單端反激式電路，其控制性芯片采用PI 公司的TOPSwitch II 系列，該器件各集種控制功能、保護功能及耐壓700V 的功率開關MOSFET于一體，具有前沿消隱設計，自動重啟動功能，低電磁干擾性（EMI），電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制等顯著特點。考慮到PWM 控制芯片和隔離芯片工作時功率較低，選用TOP221Y，在寬范圍輸入電源電壓下，其功率輸出為7W，足以滿足要求。輔助電源的電路圖如圖2所示，原理分析所下：

　　交流電源通過全橋整流，電容濾波作為輔助電源的供電電源，CT1用于濾除干擾。在MOSFET 關斷期間由于高頻變壓器漏感的存在其漏感電壓很高，為保護變壓器不受其損壞，在這里選擇快恢復二極管VD1與瞬態(tài)抑制器TVS 組成鉗位電路，用于吸收漏感電壓，保護原理分析如下：當MOSFET 導通時，此時VD1兩端電壓為上正下負，VD1截止，鉗位電路不工作; 當MOSFET 截止時，由于漏感存在，VD1兩端電壓變?yōu)樯县撓抡?，此時VD1導通，鉗位保護電路工作，電壓得到限制。反饋回路主要有光電耦合器PC817 與三端穩(wěn)壓器TL431及若干電阻、電容構成，線性光耦合器PC817 的電流傳輸比（CTR）范圍為80%-160%，能較好地滿足反饋回路的要求。電阻Rao.R3分壓作為TL431基準電壓，通過設定R3O、R4 的阻值可以得到所需輸出電壓的穩(wěn)壓值。GZ 作為TL431的頻率補償電容，可以提高TL431的瞬態(tài)頻率響應。RSO 為PC817 的LED 限流電阻，起到限流保護的作用。反饋回路實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓的原理如下： 當輸出電壓發(fā)生波動，通過R3O、R43 分壓得到的取樣電壓U10 使TL431的輸出電壓UK發(fā)生改變，進而控制PC817 的發(fā)光二極管（LED）的光照度，引起光敏三極管發(fā)射極電流成比例的變化，最后通過TOP221Y控制端電流變化來調(diào)節(jié)占空比發(fā)生與其相反的變化，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，為電路提供穩(wěn)定的輔助電源。

　　4、主電路模塊的設計

　　直流斬波電路起到把一種直流電變化為另一種固定電壓或可調(diào)電壓的功能。應用領域可分為兩類：一類是輸出可變的直流電壓;另一類是當電源電壓或負裁變化時，都可以輸出一個恒定的直流電壓用。所設計的電源屬于后者，其原理圖如圖3 所示：高壓直流電壓DCO 通過Sepic 電路可升降壓的特點將變化的電壓DCO（ 183~425 V）穩(wěn)定在DC1左右，并作為Buck 電路輸入電壓，設置合適的占空比得到輸出電壓DC2（24 V），斬波電路采用閉環(huán)反饋控制，交流供電電壓或輸出負載電阻變化時，穩(wěn)壓器輸出電壓都能保持穩(wěn)定。兩次DC-DC 變換都包括輸入、輸出濾波，電壓紋波更小。功率管漏源極兩端采用由無感電阻和電容組成的阻容吸收回路，吸收開關管的尖峰電壓，起到保護功率管的作用。

　　5、PWM 控制電路設計

　　PWM 控制電路與DC-DC/DC-DC 變換器的性能密切相關，因而PWM 控制電路的設計尤為重要問。在此PWM 控制芯片選用美國硅通用半導體公司（Silicon General）的SG3525，具有內(nèi)設置有欠壓鎖定電路，軟啟動電路，基準電壓源，誤差放大器，輸出限流，和關斷電路，圖騰柱式輸出級，振蕩器及可調(diào)節(jié)的死區(qū)等特點，廣泛應用于開關電源的設計中。SG3525外圍電路如圖4所示，分析如下。

　　選擇德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TI431的參考電壓作為2腳基準電壓，輸出PWM 控制信號穩(wěn)定度高。R4、C2 構成1、9腳之間的反饋補償網(wǎng)路，反饋電壓UFB加到1腳，與2腳基準電壓U7 比較，調(diào)節(jié)占空比的大小。14、11腳兩路輸出并用一路輸出，使得變換器占空比可調(diào)范圍擴大一倍。CU 為加速電容，加快功率管開通。10腳為關斷信號引腳，SD 為高電平時，關斷脈沖輸出。將3腳接地，減少干擾。

? ? ? ? ?6、光耦隔離驅(qū)動電路的設計

? ? ? ? 該穩(wěn)壓器頻率高達100 K，采用高速光耦6N137 與三極管組成光耦隔離驅(qū)動電路對PWM 信號快速響應。隔離驅(qū)動外圍電路如圖5 所示，6N137 光耦輸人與輸出反向，因此輸出加一PNP 管，使信號G1/G2 跟隨輸入PWM 變化，C3是0.1UF的去耦電容，加在6N137 光耦合器的電源管腳旁。在選擇電容類型時，選擇高頻特性好的電容如陶瓷電容或鉭電容。6N137 光耦合器的第6 腳VO器，輸出電路屬于集電極開路電路，必須上拉一個電阻Rz;6N137 光耦合器的第2腳和第3腳之間是一個LED，必須串接一個限流電阻R34O。

　　7、反饋回路及過壓、過流保護電路的設計

　　反饋電路由磁放大器隔離器與取樣電阻R26.R31組成，、取樣電壓經(jīng)過DCP010505B 隔離放大后得到電壓UFB，一方面，此電壓作為反饋電壓加到SG3525 的1腳，與基準電壓比較，決定輸出占空比的大小，穩(wěn)定輸出電壓;另作為過壓保護電路的一方面加到誤差放大器正向輸入端，輸入電壓，過壓保護電路采用跟隨器與遲滯比較器構成，當輸出電壓大于設定門檻電壓時，保護電路動作，發(fā)光二極管發(fā)亮，SD 為高電平，關斷輸出脈沖。過流保護電路由取樣電阻、磁隔離放大器DCP、LM324 組成。取樣電阻采用精密電阻，阻值比較小，磁隔離放大器采用DCP010512B，經(jīng)過放大器將取樣信號放大后，與基準電壓比較，此后的保護動作與過壓保護原理相同。

　　8、實驗

　　該Sepic直流穩(wěn)壓器調(diào)試電路板分為輔助電源電路板、斬波主電路電路板，板子元件采用直插型，便于實驗發(fā)現(xiàn)問題及時更換元件加以改正。并對其PWM 信號進行了測試并記錄。

　　9、結論

　　Sepic 直流穩(wěn)壓器主電路是非隔離式設計，驅(qū)動信號可提供足夠的驅(qū)動電流快速驅(qū)動MOSFET，且驅(qū)動電路結構簡單可靠，該穩(wěn)壓器在滿足輸出電壓可靠性、穩(wěn)定性等要求下，體積、成本相對較小。