恒流开关电源设计

武宪文

武宪文

航天长峰朝阳电源有限公司辽宁朝阳122000

摘要：本文阐述了节能型恒流开关电源的工作原理，根据方案设计技术参数，给出了主要电路设计的理论依据；然后根据设计要求提出了整体电路的实现架构，并且阐述了整体电路工作原理和主要子电路的性能。

关键词：开关电源，恒流，LED

一、开关电源及其发展趋

开关稳压电源简称开关电源(SwitchingPowerSupply)，因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式工作而得名。它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、纹波小、噪音低、智能化程度高、易扩容等优良特性[1]。

在开关电源的应用领域内，恒流开关电源增长较快。新型磁材料和新型变压器的开发，新型电容器和EMI滤波器技术的进步，以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。

二、恒流开关电源设计

2.1电源技术要求

输入电压：交流220V±10%纹波电压UP：0.5V

输出电压UO：15V输出波动电流IP：±0.1A

输出电流IO：10A占空比：Dmax＝0.42

2.2开关电源设计

开关电源是由输入整流与滤波电路、高频变压电路、整流续流与滤波电路、稳压恒流电路、保护电路、反馈电路、控制电路以及功率开关组成的。输入整流滤波电路其作用是把电网存在杂波过滤，也是通过整流得到输出所需要的直流电压。高频变压器是开关电源设计关键部件之一，在电路回路中起到电器隔离、变压、储能、变流或者是变阻等作用。而输出整流续流与滤波电路是通过整流续流功能得到输出所需要直流电流，当然还要通过滤波器把多余杂波给滤掉。稳压恒流输出电路目的是为负载提供一个恒定的电流。反馈电路可以是电压反馈，也可以是电流反馈，它是通过输出端取样的电流电压值与控制器基准电流电压值相比较，起到反馈传递作用。控制器是通过反馈电路的信息来调整电路电流电压的输出，输出电流尽可能达到一个稳定值。而功率开关管是由控制器PWM控制它的导通时间，调节脉冲宽度从而也实现占空比调节。整体电路是将频率为50Hz、220V的市电交流电压经过主电路输入整流与滤波、变压器、整流、续流与滤波、稳压电路恒流电路转换成稳定的直流电压，输出恒定的直流电流。

2.3恒流输出电路设计

任何电源要实现恒流功能，均需对电源的输出电流进行检测取样，与电流设置值即参考值进行比较，经负反馈放大调节。线性串联稳压是调节调整管的压降，而开关电源是调节变换器的脉宽（或占空比），维持输出电流的恒定[2]。

图1是恒流控制反馈系统图。图中Iref是电流设置基准；CR是电流PI调节；Kfi是电流取样反馈系数；RS、Ro是电流取样电阻和负载电阻。该系统采用是电流模式控制，可以检测变换器输出电流，适当地选取反馈系数Kfi,通过P（比例）、PI（比例积分）、PID（比例积分微分器）实现恒流控制。在反馈系数不变情况下，也可以通过改变电压或电流实现恒流值控制。

图1恒流控制反馈系统图

图2是恒流电源常用电路，其中采样电阻RS串联在功率回路里，作为回路电流的采样元器件。它把回路电流信号转换成电压信号，并与基准电压Uref在放大器中进行比较放大，然后将其送至调整管VT的基极，驱动调整管VT对输出电流IO变化进行补偿校正。就可以实现恒流输出。

2.4控制电路设计

1、振荡器

振荡器的振荡频率fosc有接在引脚6上的定时电阻器R17与接在引脚5上的定时电容器C15决定的。当时振荡频率。

2、启动电路

启动电路由接在引脚8上R14接上外部电源为芯片工作提供Vcc=15V电源，而接在引脚9上是通过R10接在外部电路提供集电极电压。

3、限流电路

过流保护电路由R18、R19、C16组成。它们是接到引脚3上的，在正常情况下，引脚3上电压低于200mV。当出现过流时，引脚3上的电压超过200mV的正负阀值，输出级被锁定为低电平，下个脉冲周期来之前，过流闭锁器复位，对下个周期的过电流进行检测，限制脉冲宽度。

4、过电压保护电路

过电压保护电路由光电耦合器PC1、R16组成的。当输出电压超过15V时，光电耦合器PC1动作，经过引脚2接入反馈电压电路，使输出级锁定为低电平。

最大占空比的设定和软启动

最大占空比是由电阻器R14、R15分压比来确定的。为了防止变压器的磁饱和，当电源电压刚启动时，与R14并联的电容器C14上电压不能突变，引脚1上电压为UREF,占空比为最大的。

输出电压控制电路

输出电压可通过调节R5、R6、R7组成分压电路确定的：

（3.11）

2.5PCB板布线

在画PCB布线时，应先确定元器件的位置，然后布置地线、电源线、再安排高速信号线，最后考虑低速信号线[2]。

1、电源：在考虑安全条件下，电源线应尽可能近地线，减小差模辐射的环面积，也有助于减小电路的交扰。

时钟线、信号线和地线位置：信号线与地线距离较近，形成的环面积较小；这样才合理的。

3、按逻辑速度分割：当需要在电路板上布置快速、中速和低速逻辑电路时，高速的器件应按放在紧靠边缘连接器范围内，而低速逻辑和存储器，应放在远离连接器范围内。这样对共阻抗耦合、辐射和交扰的减小都是有利的。

应避免PCB导线的不连续性：迹线宽度不要突变。导线不要突然拐角。

三、结束语

本设计的目的就是针对LED照明应用的电源。LED照明通常用多个发光二极管组成点阵光源，为使光源发光均匀则需供电电源提供恒定电流进行驱动。本设计在整体电路原理分析和子电路设计的基础之上，应用仿真软件对子电路模块和整体电路进行了功能仿真验证，仿真结果满足要求，验证了理论分析和设计的正确性。

参考文献

[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004：7-12，18-30

[2]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京：人民邮电出版社，2007：137-147

作者简介：武宪文，男，1974年出生，工程师，籍贯：辽宁省朝阳市。