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基于LD7552B的綠色開關電源設計(2)

2011年07月25日 09:30 現代電子技術 作者:王忠誠,孫唯真 用戶評論(0
 2.1 交流輸入及整流濾波電路

  這部分電路主要由電源開關S1、保險管F1、負溫度系數熱敏電阻NR1、互感濾波器L1、橋堆BD1、濾波電容C2和C3等元件構成。其功能是完成交流電壓的傳輸及整流濾波任務,最后在C2上得到300 V左右的直流電壓。

  因電源功率較大,故開機浪涌電流也較大,保險管F1選用2 A/250 V規格;采用一節互感濾波器來濾除電網中的干擾,L1選用電感量為4 mH的互感濾波器即可;橋堆選用整流電流為2 A,耐壓為500 V以上即可(如2KBP06~2KBP10系列);C2選用100~150 μF,耐壓為400 V以上的電解電容。為了改善高頻濾波效果,C2上可并聯一個高壓陶瓷電容C3。串入負溫度系數熱敏電阻NR1的目的是為了減小開機浪涌電流,NR1的常溫阻值可選在6~9 Ω/4 A。

  2.2 LD7552B的3腳和7腳外部電路

  3腳和7腳外接啟動電路和供電電路,其任務是開機瞬間為芯片提供啟動電壓,正常工作期間為芯片提供供電電壓。電路啟動時,LD755 2B的3腳索取的電流小于20μA,屬微電流啟動方式,故啟動電阻R1,R2,R3的總阻值可選擇在1 000 kΩ左右。電路工作后,7腳索取的電流達2 mA,此時R1,R2,R3無法提供如此大的電流,故由開關變壓器的繞組、R8,D1等元件構成的供電電路來給7腳供電,以滿足內部電路的要求。C6的容量一般在10~47μF,D1一定要選用耐壓在200 V以上,整流電流在0.8 A以上的快恢復二極管(如FR103~FR106等),R8的阻值一般在10 Ω以下。R1,R2,R3,C6的取值不能太大,否則會導致電路啟動困難,甚至不能啟動。7腳的正常工作電壓應設計在12~16V。

  2.3 LD7552B的4腳外部電阻

  LD7552B的正常振蕩頻率由4腳外部電阻進行設定,可由下式計算。

  f=(65/R4)×100

  式中:f表示LD7552B的正常振蕩頻率,單位為kHz;R4表示4腳外部電阻的阻值,單位為kΩ。例如,當4腳外部電阻為100 kΩ時,振蕩頻率為65 kHz。選擇4腳外部電阻的阻值時,一定要確保f在50~130 kHz之間,也就是說R4的取值范圍在50~130 kΩ之間。

  2.4 LD7552B的6腳外部電路

  6腳用來檢測開關管的電流,以實現過流保護。6腳外部需接一個RC濾波器(由R5和C8構成),一則可以防止脈沖前沿損壞6腳內部電路,二則可以避免電路誤保護。RC濾波器的時間常數不宜太大,只要確保脈沖前沿有350 ns的延時即可。開關管源極電阻R7對電路的輸出功率及過流保護靈敏度有很大影響,R7越大,過流保護點就越低,電路的輸出功率也就越小;若R7越小,過流保護點就越高,電路的輸出功率也就越大。因此,選擇R7的阻值時,一定要兼顧上述2個方面。實驗表明,當開關管源極電阻選為0.47Ω/2 W時,電路的帶負載能力大于40W,過流保護點約為2A。為了使設計略留有余地,R7可選為0.43Ω/2W。

  2.5 穩壓電路

  精密型三端比較器IC3、光電耦合器IC2及3只取樣電阻(R14,R16及R15)均為穩壓電路中的關鍵元件。精密型三端比較器可選用KIA431A或TL431A,光電耦合器可選用PC123或PC817。輸出電壓的大小與三只取樣電阻(R14,R16及R15)的阻值息息相關,當輸出電壓為+5 V和+14 V時,根據基爾霍夫定律,很容易推導出R14,R16和R15之間有下式的關系。

  

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  式中:R15,R14和R16分別代表電阻R15,R14和R16的阻值。如果R14和R16分別取3.6 kΩ和33 kΩ時,可以算出R15的阻值為2.4 kΩ。在實驗中發現,當R15為2.43 kΩ時,+5 V和+14 V輸出電壓最準確。值得注意的是,R14,R15和R16一定要選用精密電阻,誤差在1%以內,否則會影響穩壓精度,加大輸出電壓的誤差。

  2.6 開關管及反峰吸收電路

  開關管VT1應選用UDSS≥600 V,IDM≥6 A,PDM≥50 W,RDS<1.5 Ω的場效應開關管,如2SK2630,2SK2645,2SK2649,2SK2677,2SK2761等。

  在開關管截止瞬間,開關變壓器初級繞組會產生反峰電壓,為了防止反峰電壓擊穿開關管,必須在開關變壓器初級繞組上并聯反峰吸收電路,即R9,C5和D3。D3一定要選用高壓快恢復管,如RF107,RGF10M等,C5的耐壓必須在1.5 kV以上,容量為1~2 nF;R9的功率須在2 W以上,阻值為100 kΩ左右。

  2.7 直流輸出電路

  本電源輸出+5 V,+14 V兩路直流電壓,都能向負載提供2 A以上的電流。+14 V整流一般選用耐壓在100 V以上,平均整流電流在6 A以上的雙二極管進行整流,如FCH10U10,FCH10A15,SP10100等,濾波電容的總容量應在1 000μF以上,最好采用LC濾波。+5 V整流一般選用耐壓在50 V以上,平均整流電流在3 A以上的快恢復二極管進行整流,如31DQ06系列、31DQ09系列等,濾波電容的總容量應在2 000 μF以上,最好也采用LC濾波。

  3 電路工作原理

  3.1 啟動過程

  220 V交流市電經BD1整流、C2濾波獲得300 V左右的直流電壓。該電壓經啟動電阻R1,R2,R3送至IC1的3腳,經內部電路對7腳外部電容(C6和C4)充電,使7腳電壓上升。當7腳電壓達到16 V時,內部電路啟動,并從8腳輸出開關脈沖,開關管VT1進入開關工作狀態。電路工作后,開關變壓器1~3繞組上的脈沖電壓經R8限流、D1整流,C6、C4濾波后,獲得12V左右的直流電壓提供給7腳,作為IC1的供電電壓。LD755-2B具有綠色工作模式,在輕載運行(如待機)時,內部綠色模式控制器工作,振蕩頻率變為20 kHz左右,此時電源工作于綠色模式下,其功耗僅0.4 W左右。當負載提高時,芯片轉為正常工作模式,此時振蕩頻率不受綠色模式控制器的控制,頻率提高至65 kHz。模式的轉換是由內部電路檢測2腳電壓來實現的,當2腳電壓低于2.35 V時,電路就工作于綠色模式。

  3.2 各路電壓輸出過程

  開關變壓器有兩個帶中心抽頭的繞組,這兩個繞組采用并聯連接。它們的上端接地,下端并聯后作為+14 V繞組的輸出端,中心抽頭并聯后作為+5 V繞組的輸出端。電路工作后,+14 V繞組輸出的脈沖電壓經D4(2個并聯二極管)整流,C13,L2,C14濾波后,產生+14 V的直流電壓。+5 V繞組輸出的脈沖電壓經D5整流,C10,L3,C11濾波后,產生+5 V直流電壓。

  3.3 穩壓過程

  該電源是通過調整開關脈沖的占空比來實現穩壓控制的,穩壓主取樣點設在+5 V輸出端,由R14和R15對+5 V電壓進行取樣;輔助取樣點設在+14 V輸出端,由R16和R15對+14 V電壓進行取樣。當某種原因(如電網電壓上升,負載變輕等)引起各路輸出電壓上升時,送至IC3控制腳的取樣電壓也上升,從而使IC3導通加強,IC2中的發光二極管和光屯三極管導通也增強,IC1的2腳電壓下降,經內部電路調節后,其8腳輸出的脈沖寬度變窄(占空比減小),開關管VT1飽和時間縮短,各路輸出電壓下降。當某種原因引起各路輸出電壓下降時,則穩壓過程與上述相反。

  3.4 保護過程

  (1)過流保護。當某種原因(如負載過重等)引起開關管VT1的電流增大時,R7上的電壓必升高,該電壓經R5送至IC1的6腳,只要6腳電壓達到0.85 V,并持續350 ns時,內部過流保護電路動作,使8腳提前輸出低電平,VT1提前截止,從而有效抑制電流的進一步上升,使VT1不至于過流而損壞。

  (2)過載保護。當負載出現短路時,+14 V和+5 V電壓接近0 V,此時IC3和IC2截止,IC1的2腳電壓會上升,只要2腳電壓上升至5 V,且持續60 ms,內部電路就會執行過載保護,8腳停止脈沖輸出。

  (3)欠壓保護。欠壓保護是由IC1的7腳內部電路來完成的。開機后,C6被充電,若C6上的電壓不能達到16 V,IC1就不會工作,處于欠壓保護狀態。若C6上的電壓能達到16 V,IC1就工作,一旦電路工作后,7腳電壓只需維持在10~16 V之間即可,如果某種原因使得C6兩端電壓下降至10 V以下時,IC1立即停振,8腳停止脈沖輸出,進入欠壓保護狀態。

  (4)過壓保護。當穩壓環路開路時,各路輸出電壓會大幅上升,C6的電壓也會上升,只要該電壓達到28 V,IC1內部電路立即執行過壓保護,8腳停止脈沖輸出。

  值得注意的是,當LD7552B進入保護狀態后,其狀態不能自動鎖存,當保護條件不具備時,電路就會自行解除保護狀態,重新工作。工作后,若保護條件又具備,則再一次進入保護狀態,如此循環。也就是說,當電路進入保護狀態時(過流保護除外),電路會間歇工作(即所謂的“打嗝”)。此時,輸出電壓及LD7552B相關引腳電壓會波動。

  4 關鍵檢測點

  該電源有一個目擊檢測點和兩個關鍵檢測點。當電源出故障時,通過檢測這些點就能很快找到故障所在。保險管F1是目擊檢測點,通過觀察或測量F1是否燒斷,可以判斷故障的性質。當F1燒斷時,說明電源中有短路故障存在,短路部位一般發生在整流橋堆(BD1)、濾波電容C2,C3或開關管VT1上。C2上的電壓是第一關鍵檢測點,通過檢測此點電壓可以判斷故障部位。例如,當電源不工作時,若測得C2上的電壓為0 V,說明故障在交流輸入電路或整流電路上;若C2上有300 V電壓,說明故障部位在C2之后的電路中。LD7552B的7腳是第二關鍵檢測點,當電源不工作時,通過測量該點電壓可以縮小故障部位。例如,通電后,7腳電壓達不到16 V,說明電路不工作是因啟動電壓過低而引起的;若7腳電壓大幅度擺動,說明電路進入保護狀態。

  5 結語

  LD7552B是一種非常完美的新型綠色電源芯片,具有很強的調壓功能和完善的保護功能,所以穩定性和可靠性都很高,且能根據負載的大小自動改變工作模式。實踐表明,基于LD7552B的開關電源能在90~240 V交流環境中穩定工作,在輸出40 W功率的情況下,電源自身損耗僅3 W左右,效率達90%以上;在綠色模式下,電源自身損耗僅0.4 W左右。LD7552B是設計中大功率開關電源的首選芯片,它必將受到廣大電子工作者的青睞,具有廣闊的應用前景。

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( 發表人:葉子 )

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