低功耗小功率开关电源设计

低功耗小功率开关电源设计

1 开关电源简介

小功率开关电源以其诸多优良的性能，在测控仪器仪表、通信设备、学习与娱乐等诸多电子产品中得到广泛的应用。随着环境和能源问题日益突出，人们对电子产品的环保要求不断提高，对电子产品的能源效率更加关注。设计无污染、低功耗、高效率的绿色模式电源已成为开关电源技术研究的热点。

本文研究一种中小功率开关电源，应用过渡模式有源功率因数校正、准谐振变频功率隔离变换控制和同步整流等多种先进的电源控制技术，以实现绿色开关电源设计的目的。

1.1 开关电源的基本结构

所有事物都要遵循能量守恒定律，开关电源也不例外，实际上，开关电源也要通过以能量形式传递完成的。从能量上看，开关电源可以分为直流开关电源模式和交流开关电源模式，直流开关电源模式主要是输出为直流信号电能，而交流开关电源模式主要是输出为交流信号电能。直流开关电源模式为当前的主流模式，该开关电源模式的基本组成结构框图如下图1.1所示：

图1.1 开关电源基本组成结构框图

由上图中可知：开关电源主要由整流滤波、DC/DC 变换电路、开关占空比桥式整流滤波 LC 组成 滤波器 DC/DC 变换器转换 输出 整流滤波

DC 直流输出

控制电路

放大电路 占空比控

制电路 交流输

入

控制电路以及控制电路等模块组成。

交直流输入电压经LC滤波器，再通过桥式整流与母线电解电容平滑后变为直流电压，再经DC/DC变换器转换，再经二极管整流和电解电容的滤波至输出，为了能使电路成为一个闭环工作，在输出端引出一个控制电路再经放大电路到占空比控制电路至DC/DC变换器转换器形成一个闭环。占空比控制电路中占空比的表示方法如下图1.2所示：

图1.2 占空比示意图

由上图中可知：占空比D=Toff/(TOff+Ton)，周期T= Ton+Toff，频率f=1/T。

1.2 传统开关电源的缺陷

传统开关电源基本上采用的都是传统电路，传统电路大部分采用的电路芯片都为PWM控制的KA38系列芯片，这当中也要用到开关MOSFET管，还有就是也要加个启动电阻，根据P=U*U/R可知该电路上的待机功耗至少要大于0.5W，而低功耗的要求待机功耗至少要小于0.5W，甚至有些要小于0.3W。如果功耗大，对人口密集的中国来说，电能的损耗无疑是巨大的。另外传统电源存在着某些有害物质，根据我国CCC标准中的《关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令》，从而没能达到环保的功能。

1.3 绿色开关电源的发展方向

由于传统电源存在着诸多的缺陷，为了能量的有效利用，人们从而提出了绿色开关电源，绿色开关电源产品主要向高频、高效率、低功耗、小型化、集成化、模块化、智能化、高可靠性、满足EMC标准和环保等诸多方向不断发展。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率比铁氧化体（Mn Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和交大磁通密度（Bs）下获得提高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。以下几个方面将是开关电源发展的方向：

（1）小型化、薄型化、轻量化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件

（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。

（2）高频化。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。

（3）高可靠性。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，点解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。

（4）低噪声。开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。

（5）采用计算机辅助设计和控制。采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机监测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时监测、记录并自动报警等。

开关电源被誉为高效能电源，它袋包着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。

2 低功耗小功率开关电源电路设计

2.1 设计方案的选择

在进行变换器的任何设计工作之前，首先要选择电路拓扑结构，这是一项非常重要的工作。由于电路拓扑结构在现在多达上百种，所以，开关电源电路拓扑结构可以选择为二种方案，第一种方案是采用单端正激式变换器的开关电源设计，第二种方案是采用单端反激式变换器的开关电源设计。

2.1.1 单端正激式变换器

有隔离变换器的DC/DC变换器按照铁芯磁化方式，可分为双端变换器（全桥、半桥、推挽等）和单端变换器（正激式、反激式等）和双端变换器比较，单端变换器线路简单、无功率管共导通问题、也不存在高频变换器单向偏磁和瞬间饱和问题，但由于高频变换器只工作在磁滞回线一侧，利用率低。因此，它只适用于小功率输出场合。

单端正激变换器是一个隔离开挂变换器，隔离型变换器的一个根本特点是有一个用于隔离的高频变压器，所以可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压器极大的增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效的扩大了变换器的使用范围。单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。

单端正激式开关电源由于输出电感和续流二极管的作用，输出电流式连续的。开关晶体管截止时，降在其上的最大电压Vcemax为2Vin。变换器在开关晶体管导通时经变压器向负载传输能量，输出功率范围较大，高频变压器既要起变压器隔离和传输能量的作用，又起到电感线圈储能的作用。控制电路以继承的PWM脉宽调制电路为基础组成，能十分方便实现稳压调节及过压、欠压、限流和关断电源输出等保护控制功能。

2.1.2 单端反激式变换器

反激式开关电源采用了稳定性很好的双环路反馈（输出直流电压隔离取样反馈外环回路和初级线圈充磁值电流取样反馈内回路）控制系统，就可以通过开关电源的PWM（脉冲宽度调制器）迅速调整脉冲电压和初级线圈充磁峰值电流进行