開關(guān)電源適配器的設(shè)計(jì)與制作要從主電路開始
開關(guān)電源適配器的設(shè)計(jì)與制作要從主電路開始，其中功率變換電路是開關(guān)電源適配器的核心。功率變換電路的結(jié)構(gòu)也稱開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有多種類型。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也決定了與之配套的PWM控制器和輸出整流/濾波電路。下面介紹開關(guān)電源適配器設(shè)計(jì)與制作的一般流程。
1. 確定電路的結(jié)構(gòu)
無(wú)論是AC/DC開關(guān)電源還是DC/DC開關(guān)電源，其核心都是DC/DC變換器。因此，開關(guān)電源適配器的電路結(jié)構(gòu)就是指DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)。開關(guān)電源中常用的DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：
a) 降壓式變換器（Buck Converter），亦稱降壓式穩(wěn)壓器。
b) 升壓式變換器（Boost Converter），亦稱升壓式穩(wěn)壓器。
c) 反激式(亦稱回掃式)變換器（Flyback Converter）。
d) 正激式變換器（Forward Converter）。
e) 半橋式變換器（Half Bridge Converter）。
f) 全橋式變換器（Full Bridge Converter）。
g) 推挽式變換器（Push-pull Converter）。
降壓式變換器和升壓式變換器主要用于輸入、輸出不需要隔離的DC/DC開關(guān)電源中；反激式變換器主要用于輸入、輸出需要隔離的小功率AC/DC或DC/DC開關(guān)電源中；正激式變換器主要用于輸入、輸出需要隔離的較大功率AC/DC或DC/DC開關(guān)電源中；半橋式變換器和全橋式變換器主要用于輸入、輸出需要隔離的大功率AC/DC或DC/DC開關(guān)電源中，其中全橋式變換器能夠提供比半橋式變換器更大的輸出功率；推挽式變換器主要用于輸入/輸出需要隔離的較低輸入電壓的DC/DC或DC/AC開關(guān)電源中。
降壓式變換器的輸出電壓低于輸入電壓，升壓式變換器的輸出電壓大于輸入電壓。在反激式、正激式、半橋式、全橋式和推挽式等具有隔離變壓器的DC/DC變換器中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)高頻變壓器的一、二次匝數(shù)比，很方便地實(shí)現(xiàn)電源的降壓、升壓和極性變換。此類變換器既可以是升壓型，也可以是降壓型，還可以是極性變換型。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源適配器時(shí)，首先要根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、輸出電流的大小，以及是否需要電氣隔離，來(lái)選擇合適的電路結(jié)構(gòu)。
2. 選擇控制電路
開關(guān)電源適配器是通過(guò)控制功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管或功率晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換的，其控制方式主要有脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和混合調(diào)制三種。脈沖寬度調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制（英文Pulse Width Modulation,縮寫PWM）；脈沖頻率調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈頻調(diào)制（英文Pulse Frequency Modulation,縮寫PFM）；混合調(diào)制方式，是脈沖寬度和開關(guān)頻率均不固定，彼此都能改變的方式。
PWM方式，具有固定的開關(guān)頻率，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)占空比，因此開關(guān)周期也是固定的，這就為設(shè)計(jì)濾波電路提供了方便，所以應(yīng)用最為普遍。目前，開關(guān)電源適配器大多采用此方式。為便于開關(guān)電源廠家的設(shè)計(jì)，眾多IC廠家將PWM控制器設(shè)計(jì)成集成電路，以方便電源工廠選擇。在早期的電源適配器產(chǎn)品中，我們常用的PWM控制器如下：
a) 自激振蕩型RCC控制電路。
b) TL494電壓型PWM控制電路。
c) SG3525電壓型PWM控制電路。
d) UC3842電流型PWM控制電路。
e) TOPSwitch-II系列的PWM控制電路。
f) TinySwitch系列的PWM控制電路。
自激振蕩型RCC控制電路通過(guò)啟動(dòng)電阻，利用高頻變壓器的正反饋繞組實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的飽和導(dǎo)通，利用功率管的退飽和特性實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)晶體管的關(guān)斷。通過(guò)控制功率開關(guān)管基極電流大小實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，適合在小功率的反激式開關(guān)電源適配器中應(yīng)用，例如各種電器設(shè)備的待機(jī)電源、手機(jī)充電器等。
TL494是電壓型PWM控制電路芯片，具有固定振蕩頻率，它包含了開關(guān)電源需要的全部控制功能，廣泛應(yīng)用于推挽式、半橋式、全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源。內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力，具有推或拉兩種輸出方式，適合驅(qū)動(dòng)雙極型功率開關(guān)晶體管。適合構(gòu)成較大功率的開關(guān)電源。
SG3525也是電壓型PWM控制電路芯片，是SG3524的改進(jìn)產(chǎn)品，SG3524的功能與TL494的功能基本相同。SG3525內(nèi)置軟啟動(dòng)電路，具有輸入欠電壓鎖定功能，可實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖關(guān)斷。其驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)采用了推挽式電路結(jié)構(gòu)，灌電流/拉電流能力超過(guò)200mA，關(guān)斷速度更快。不但能夠驅(qū)動(dòng)雙極型功率開關(guān)晶體管，更適合驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)功率管（MOSFET），以便獲得更高的開關(guān)頻率和電源轉(zhuǎn)換效率。
UC3842是電流型PWM控制芯片電路，她具有引腳少、外圍電路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、單價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合構(gòu)成小功率單端反激式開關(guān)電源，是目前單端PWM控制電路的一種優(yōu)選型號(hào)。該電路具有欠電壓鎖定功能和大電流圖騰柱式輸出結(jié)構(gòu)，適合驅(qū)動(dòng)雙極型功率管和場(chǎng)效應(yīng)功率管。其電流型控制模式，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)周期的峰值電流限制，能有效防止高頻變壓器的磁飽和，提高了開關(guān)電源適配器的可靠性。
TOPSwitch-II系列單片開關(guān)電源是將PWM控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、場(chǎng)效應(yīng)功率管、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過(guò)高頻變壓器即可實(shí)現(xiàn)輸出端與電網(wǎng)完全隔離。外部?jī)H需配整流濾波器、高頻變壓器、漏極鉗位保護(hù)電路、反饋電路和輸出整流濾波電路，即可構(gòu)成反激式開關(guān)電源適配器。
TinySwitch系列單片開關(guān)電源是美國(guó)PI公司推出的一種高效率、小功率、低成本的四端單片開關(guān)電源專用IC。TinySwitch系列比TOPSwitch-II系列三端單片開關(guān)電源增加了一個(gè)使能端，使用也更加方便、靈活。其控制系統(tǒng)實(shí)際上是采用跳過(guò)周期的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓過(guò)程的，等效為脈沖頻率調(diào)制器。該系列產(chǎn)品特別適合制作10W以下的微型開關(guān)電源適配器或者待機(jī)電源。
在設(shè)計(jì)開關(guān)電源適配器時(shí)，要根據(jù)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸出功率的大小、電源的應(yīng)用領(lǐng)域等選擇合適的PWM控制電路。
1. 確定電路的結(jié)構(gòu)
無(wú)論是AC/DC開關(guān)電源還是DC/DC開關(guān)電源，其核心都是DC/DC變換器。因此，開關(guān)電源適配器的電路結(jié)構(gòu)就是指DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)。開關(guān)電源中常用的DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：
a) 降壓式變換器（Buck Converter），亦稱降壓式穩(wěn)壓器。
b) 升壓式變換器（Boost Converter），亦稱升壓式穩(wěn)壓器。
c) 反激式(亦稱回掃式)變換器（Flyback Converter）。
d) 正激式變換器（Forward Converter）。
e) 半橋式變換器（Half Bridge Converter）。
f) 全橋式變換器（Full Bridge Converter）。
g) 推挽式變換器（Push-pull Converter）。
降壓式變換器和升壓式變換器主要用于輸入、輸出不需要隔離的DC/DC開關(guān)電源中；反激式變換器主要用于輸入、輸出需要隔離的小功率AC/DC或DC/DC開關(guān)電源中；正激式變換器主要用于輸入、輸出需要隔離的較大功率AC/DC或DC/DC開關(guān)電源中；半橋式變換器和全橋式變換器主要用于輸入、輸出需要隔離的大功率AC/DC或DC/DC開關(guān)電源中，其中全橋式變換器能夠提供比半橋式變換器更大的輸出功率；推挽式變換器主要用于輸入/輸出需要隔離的較低輸入電壓的DC/DC或DC/AC開關(guān)電源中。
降壓式變換器的輸出電壓低于輸入電壓，升壓式變換器的輸出電壓大于輸入電壓。在反激式、正激式、半橋式、全橋式和推挽式等具有隔離變壓器的DC/DC變換器中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)高頻變壓器的一、二次匝數(shù)比，很方便地實(shí)現(xiàn)電源的降壓、升壓和極性變換。此類變換器既可以是升壓型，也可以是降壓型，還可以是極性變換型。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源適配器時(shí)，首先要根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、輸出電流的大小，以及是否需要電氣隔離，來(lái)選擇合適的電路結(jié)構(gòu)。
2. 選擇控制電路
開關(guān)電源適配器是通過(guò)控制功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管或功率晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換的，其控制方式主要有脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和混合調(diào)制三種。脈沖寬度調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制（英文Pulse Width Modulation,縮寫PWM）；脈沖頻率調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈頻調(diào)制（英文Pulse Frequency Modulation,縮寫PFM）；混合調(diào)制方式，是脈沖寬度和開關(guān)頻率均不固定，彼此都能改變的方式。
PWM方式，具有固定的開關(guān)頻率，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)占空比，因此開關(guān)周期也是固定的，這就為設(shè)計(jì)濾波電路提供了方便，所以應(yīng)用最為普遍。目前，開關(guān)電源適配器大多采用此方式。為便于開關(guān)電源廠家的設(shè)計(jì)，眾多IC廠家將PWM控制器設(shè)計(jì)成集成電路，以方便電源工廠選擇。在早期的電源適配器產(chǎn)品中，我們常用的PWM控制器如下：
a) 自激振蕩型RCC控制電路。
b) TL494電壓型PWM控制電路。
c) SG3525電壓型PWM控制電路。
d) UC3842電流型PWM控制電路。
e) TOPSwitch-II系列的PWM控制電路。
f) TinySwitch系列的PWM控制電路。
自激振蕩型RCC控制電路通過(guò)啟動(dòng)電阻，利用高頻變壓器的正反饋繞組實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的飽和導(dǎo)通，利用功率管的退飽和特性實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)晶體管的關(guān)斷。通過(guò)控制功率開關(guān)管基極電流大小實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，適合在小功率的反激式開關(guān)電源適配器中應(yīng)用，例如各種電器設(shè)備的待機(jī)電源、手機(jī)充電器等。
TL494是電壓型PWM控制電路芯片，具有固定振蕩頻率，它包含了開關(guān)電源需要的全部控制功能，廣泛應(yīng)用于推挽式、半橋式、全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源。內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力，具有推或拉兩種輸出方式，適合驅(qū)動(dòng)雙極型功率開關(guān)晶體管。適合構(gòu)成較大功率的開關(guān)電源。
SG3525也是電壓型PWM控制電路芯片，是SG3524的改進(jìn)產(chǎn)品，SG3524的功能與TL494的功能基本相同。SG3525內(nèi)置軟啟動(dòng)電路，具有輸入欠電壓鎖定功能，可實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖關(guān)斷。其驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)采用了推挽式電路結(jié)構(gòu)，灌電流/拉電流能力超過(guò)200mA，關(guān)斷速度更快。不但能夠驅(qū)動(dòng)雙極型功率開關(guān)晶體管，更適合驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)功率管（MOSFET），以便獲得更高的開關(guān)頻率和電源轉(zhuǎn)換效率。
UC3842是電流型PWM控制芯片電路，她具有引腳少、外圍電路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、單價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合構(gòu)成小功率單端反激式開關(guān)電源，是目前單端PWM控制電路的一種優(yōu)選型號(hào)。該電路具有欠電壓鎖定功能和大電流圖騰柱式輸出結(jié)構(gòu)，適合驅(qū)動(dòng)雙極型功率管和場(chǎng)效應(yīng)功率管。其電流型控制模式，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)周期的峰值電流限制，能有效防止高頻變壓器的磁飽和，提高了開關(guān)電源適配器的可靠性。
TOPSwitch-II系列單片開關(guān)電源是將PWM控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、場(chǎng)效應(yīng)功率管、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過(guò)高頻變壓器即可實(shí)現(xiàn)輸出端與電網(wǎng)完全隔離。外部?jī)H需配整流濾波器、高頻變壓器、漏極鉗位保護(hù)電路、反饋電路和輸出整流濾波電路，即可構(gòu)成反激式開關(guān)電源適配器。
TinySwitch系列單片開關(guān)電源是美國(guó)PI公司推出的一種高效率、小功率、低成本的四端單片開關(guān)電源專用IC。TinySwitch系列比TOPSwitch-II系列三端單片開關(guān)電源增加了一個(gè)使能端，使用也更加方便、靈活。其控制系統(tǒng)實(shí)際上是采用跳過(guò)周期的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓過(guò)程的，等效為脈沖頻率調(diào)制器。該系列產(chǎn)品特別適合制作10W以下的微型開關(guān)電源適配器或者待機(jī)電源。
在設(shè)計(jì)開關(guān)電源適配器時(shí)，要根據(jù)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸出功率的大小、電源的應(yīng)用領(lǐng)域等選擇合適的PWM控制電路。
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