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多路输出开关电源的设计及应用原则
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摘 要 ： 比 较 了 诸 多 国 内 外 多 路 输 出 电 源 的 设 计 思 想 ， 提 出 并 总 结 了 现 今 多 路 输 出 电 源 的 设 计 原 则 。
关 键 词 ： 开 关 电 源 ； 多 路 输 出 ； 设 计 原 则
1 引 言
对 现 代 电 子 系 统 ， 即 便 是 最 简 单 的 由 单 片 机 和 单 一 I/O接 口 电 路 所 组 成 的 电 子 系 统 来 讲 ， 其 电 源 电 压 一 般 也 要 由 ＋ 5 V， ± 15 V或 ± 12 V等 多 路 组 成 ， 而 对 较 复 杂 的 电 子 系 统 来 讲 ， 实 际 用 到 的 电 源 电 压 就 更 多 了 。 目 前 主 要 由 下 述 诸 多 电 压 组 合 而 成 ： ＋ 3.3 V， ＋ 5 V， ± 15 V， ± 12 V， － 5 V， ± 9 V， ＋ 18 V， ＋ 24 V、 ＋ 27 V、 ± 60 V、 ＋ 135 V、 ＋ 300 V、 － 200 V、 ＋ 600 V、 ＋ 1 800 V、 ＋ 3 000 V、 ＋ 5 000 V（ 包 括 一 个 系 统 中 需 求 多 个 上 述 相 同 电 压 供 电 电 源 ） 等 。 不 同 的 电 子 系 统 ， 不 仅 对 上 述 各 种 电 压 组 合 有 严 格 的 要 求 ， 而 且 对 这 些 电 源 电 压 的 诸 多 电 特 性 也 有 较 严 格 的 要 求 ， 如 电 压 精 度 ， 电 压 的 负 载 能 力 （ 输 出 电 流 ） ， 电 压 的 纹 波 和 噪 声 ， 起 动 延 迟 ， 上 升 时 间 ， 恢 复 时 间 ， 电 压 过 冲 ， 断 电 延 迟 时 间 ， 跨 步 负 载 响 应 ， 跨 步 线 性 响 应 ， 交 叉 调 整 率 ， 交 叉 干 扰 等 。
2 多 路 输 出 电 源
对 于 电 源 应 用 者 来 讲 ， 一 般 都 希 望 其 所 选 择 的 电 源 产 品 为 “ 傻 瓜 型 ” 的 ， 即 所 选 择 的 电 源 电 压 只 要 负 载 不 超 过 电 源 最 大 值 ， 无 论 系 统 的 各 路 负 载 特 性 如 何 变 化 ， 而 各 路 电 源 电 压 依 然 精 确 无 误 。 仅 就 这 一 点 来 讲 ， 目 前 绝 大 多 数 的 多 路 输 出 电 源 是 不 尽 人 意 的 。 为 了 更 进 一 步 说 明 多 路 输 出 电 源 的 特 性 ， 首 先 从 图 1所 示 多 路 输 出 开 关 电 源 框 图 讲 起 。
从 图 1可 以 看 到 ， 真 正 形 成 闭 环 控 制 的 只 有 主 电 路 Vp， 其 它 Vaux1、 Vaux2等 辅 电 路 都 处 在 失 控 之 中 。 从 控 制 理 论 可 知 ， 只 有 Vp无 论 输 入 、 输 出 如 何 变 动 （ 包 括 电 压 变 动 ， 负 载 变 动 等 ） ， 在 闭 环 的 反 馈 控 制 作 用 下 都 能 保 证 相 当 高 的 精 度 （ 一 般 优 于 0.5％ ） ， 也 就 是 说 Vp在 很 大 程 度 上 只 取 决 于 基 准 电 压 和 采 样 比 例 。 对 Vaux1、 Vaux2而 言 ， 其 精 度 主 要 依 赖 以 下 几 个 方 面 ：
1） T1主 变 器 的 匝 比 ， 这 里 主 要 取 决 于 Np1： Np2或Np1： Np3
2） 辅 助 电 路 的 负 载 情 况 。
3） 主 电 路 的 负 载 情 况 。
注 ： 如 果 以 上 3点 设 定 后 ， 输 入 电 压 的 变 动 对 辅 电 路 的 影 响 已 经 很 有 限 了 。
在 以 上 3点 中 ， 作 为 一 个 具 体 的 开 关 电 源 变 换 器 ， 主 变 压 器 匝 比 已 经 设 定 ， 所 以 影 响 辅 助 电 路 输 出 电 压 精 度 最 大 的 因 素 为 主 电 路 和 辅 电 路 的 负 载 情 况 。 在 开 关 电 源 产 品 中 ， 有 专 门 的 技 术 指 标 说 明 和 规 范 电 源 的 这 一 特 性 ， 即 就 是 交 叉 负 载 调 整 率 。 为 了 更 好 地 讲 述 这 一 问 题 ， 先 将 交 叉 负 载 调 整 率 的 测 量 和 计 算 方 法 讲 述 如 下 。
2. 1 电 源 变 换 器 多 路 输 出 交 叉 负 载 调 整 率 测 量 与计 算 步 骤
1） 测 试 仪 表 及 设 备 连 接 如 图 2所 示 。
2） 调 节 被 测 电 源 变 换 器 的 输 入 电 压 为 标 称 值 ， 合 上 开 关 S1、 S2… Sn， 调 节 被 测 电 源 变 换 器 各 路 输 出 电 流 为 额 定 值 ， 测 量 第 j路 的 输 出 电 压 Uj， 用 同 样 的 方 法 测 量 其 它 各 路 输 出 电 压 。
3） 调 节 第 j路 以 外 的 各 路 输 出 负 载 电 流 为 最 小 值 ， 测 量 第 j路 的 输 出 电 压 ULj。
4） 按 式 （ 1） 计 算 第 j路 的 交 叉 负 载 调 整 率 SIL。
式 中 ： Δ Uj为 当 其 它 各 路 负 载 电 流 为 最 小 值 时 ， Uj与 该 路 输 出 电 压 ULj之 差 的 绝 对 值 ；
Uj为 各 路 输 出 电 流 为 额 定 值 时 ， 第 j路 的 输 出 电 压 。
根 据 上 面 的 测 试 及 计 算 方 法 可 以 将 交 叉 负 载 调 整 率 理 解 为 ： 所 有 其 它 输 出 电 路 负 载 跨 步 变 （ 100％ － 0％ 时 ） 对 该 路 输 出 电 压 精 度 影 响 的 百 分 比 。
2. 2 多 路 输 出 开 关 电 源
由 图 1原 理 所 构 成 的 实 际 开 关 电 源 ， 主 控 电 路 仅 反 馈 主 输 出 电 压 ， 其 它 辅 助 电 路 完 全 放 开 。 此 时 假 设 主 、 辅 电 路 的 功 率 比 为 1 ： 1。 从 实 际 测 量 得 主 电 路 交 叉 负 载 调 整 率 优 于 0.2％ ， 而 辅 电 路 的 交 叉 负 载 调 整 率 大 于 50％ 。 无 论 开 关 电 源 设 计 者 还 是 应 用 者 对 大 于 50％ 的 交 叉 负 载 调 整 率 都 将 是 不 能 接 受 的 。 如 何 降 低 辅 电 路 交 叉 负 载 调 整 率 ， 最 直 接 的 想 法 就 是 给 辅 助 电 路 加 一 个 线 性 稳 压 调 节 器 （ 包 括 三 端 稳 压 器 ， 低 压 差 三 端 稳 压 器 ） 如 图 3所 示 。
从 图 3可 知 ， 由 于 引 入 了 线 性 稳 压 调 节 器 V， 所 以 在 辅 路 上 附 加 了 一 部 分 功 率 损 耗 ， 功 率 损 耗 为 P=
而 要 使 辅 电 路 的 交 叉 负 载 调 整 率 小 ， 就 必 须 有 意 识 地 增 大 线 性 调 整 器 的 电 压 差 （ － Vaux1） ， 即 就 是 要 有 意 识 增 大 ， 其 带 来 的 缺 点 就 是 增 加 了 电 源 的 功 率 损 耗 ， 降 低 了 电 源 的 效 率 。
以 图 1及 图 3原 理 为 基 础 设 计 和 应 用 电 源 时 ， 应 注 意 的 原 则 为 ：
1） 主 电 路 实 际 使 用 的 电 流 最 小 应 为 最 大 满 输 出 电 流 的 30％ ；
2） 主 电 路 电 压 精 度 应 优 于 0.5％ ；
3） 辅 电 路 功 率 最 好 小 于 主 电 路 功 率 的 50％ ；
4） 辅 电 路 交 叉 负 载 调 整 率 不 大 于 10％ 。
2. 3 改 进 型 多 路 输 出 开 关 电 源
在 很 多 应 用 场 合 中 ， 要 求 2路 输 出 的 功 率 基 本 相 当 ， 比 如 ± 12 V/0. 5 A， ± 15 V/1 A。 我 们 通 过 多 年 的 实 践 ， 设 计 了 如 图 4所 示 的 电 路 ， 能 较 好 地 达 到 提 高 交 叉 负 载 调 整 率 的 目 的 。
图 4电 路 设 计 思 想 的 核 心 有 以 下 2点 。
1） 将 正 负 2路 输 出 滤 波 电 感L1、 L2绕 制 在 同 一 磁 芯 上 ， 采 用 双 线 并 绕 的 方 法 ， 从 而 保 证 L1、 L2电 感 量 完 全 相 同 。 并 注 意 实 际 接 入 线 路 时 的 相 位 （ 差 模 方 法 ） 关 系 ， 这 种 滤 波 电 感 的 连 接 方 法 使 2路 输 出 电 流 的 变 化 量 相 互 感 应 ， 在 一 定 程 度 上 较 大 地 改 善 了 2路 输 出 的 交 叉 负 载 调 整 率 。
2） 从 图 4可 以 看 到 ， 采 样 比 较 器 Rs1、 Rs2不 像 图 1那 样 接 到 主 电 路 Vp上 ， 而 是 直 接 跨 接 到 正 负 电 源 的 输 出 端 上 ， 并 且 逻 辑 “ 地 ” 不 是 电 源 的 输 出 地 ， 而 是 以 负 电 压 输 出 端 作 为 采 样 比 较 和 基 准 电 压 的 逻 辑 “ 地 ” 电 位 。 这 样 采 样 误 差 将 同 时 反 映 出 正 、 负 2路 输 出 的 电 压 精 度 变 化 ， 对 正 、 负 2路 同 样 都 存 在 有 反 馈 作 用 ， 能 在 很 大 程 度 上 改 进 2路 输 出 的 交 叉 负 载 调 整 率 。 以 ± 15 V/1 A电 源 为 例 ， 采 用 图 4的 电 路 设 计 ， 实 测 得 的 2路 交 叉 负 载 调 整 率 优 于 2％ 。
以 图 4原 理 为 基 础 设 计 和 应 用 电 源 时 ， 应 注 意 的 原 则 为 ：
1） 2路 最 好 为 对 称 输 出 （ 功 率 对 称 ， 电 压 对 称 ） ， 无 明 显 的 主 、 辅 电 路 之 分 ， 比 如 我 们 常 用 到 的 ± 12 V， ± 15 V等 都 属 于 此 类 ；
2） 2路 输 出 电 压 精 度 要 求 都 不 是 太 高 ， 1％ 左 右 ；
3） 2路 输 出 交 叉 调 整 率 要 求 相 对 较 高 ， 2％ 左 右 。
下 面 介 绍 一 种 通 用 性 极 强 的 3路 电 源 设 计 方 案 ， 如 图 5所 示 。
从 图 5可 以 看 到 ， 主 ＋ 5 V输 出 与 辅 路 ± Vout(可 以 是 ± 15 V或 ± 12 V)输 出 电 路 不 但 反 馈 相 互 独 立 ， 而 且 其 PWM （ 脉 宽 调 制 器 ） ， 功 率 变 换 和 变 压 器 都 是 相 互 独 立 的 。 可 以 将 此 3路 电 源 看 成 是 由 相 互 独 立 的 1个 ＋ 5 V电 源 和 1个 ± Vout电 源 共 同 组 合 而 成 。 为 了 进 一 步 减 少 二 者 之 间 的 相 互 干 扰 和 降 低 各 自 输 出 电 压 纹 波 的 峰 － 峰 值 ， 应 当 进 一 步 减 小 各 独 立 电 源 的 输 入 反 射 纹 波 （ 一 般 纹 波 峰 － 峰 值 应 小 于 50 mV， 纹 波 有 效 值 应 小 于 10 mV） 和 采 用 同 步 工 作 方 式 。
2. 4 高 频 磁 放 大 器 稳 压 器
在 多 路 输 出 电 源 中 ， 输 出 电 路 经 常 采 用 高 频 磁 放 大 稳 压 器 ， 它 以 低 成 本 、 高 效 率 、 高 稳 压 精 度 和 高 可 靠 性 ， 而 在 多 路 输 出 的 稳 压 电 源 中 得 到 了 广 泛 应 用 。
磁 放 大 器 能 使 开 关 电 源 得 到 精 确 的 控 制 ， 从 而 提 高 了 其 稳 定 性 。 磁 放 大 器 磁 芯 可 以 用 坡 莫 合 金 ， 铁 氧 体 或 非 晶 ， 纳 米 晶 （ 又 称 超 微 晶 ） 材 料 制 作 。 非 晶 、 纳 米 晶 软 磁 材 料 因 具 有 高 磁 导 率 ， 高 矩 形 比 和 理 想 的 高 温 稳 定 性 ， 将 其 应 用 于 磁 放 大 器 中 ， 能 提 供 无 与 伦 比 的 输 出 调 节 精 确 性 ， 并 能 取 得 更 高 的 工 作 效 率 ， 因 而 倍 受 青 睐 。 非 晶 、 纳 米 晶 磁 芯 除 上 述 特 点 外 还 具 备 以 下 优 点 ：
1） 饱 和 磁 导 率 低 ；
2） 矫 顽 力 低 ；
3） 复 原 电 流 小 ；
4） 磁 芯 损 耗 少 ；
磁 放 大 输 出 稳 压 器 没 有 采 用 晶 闸 管 或 半 导 体 功 率 开 关 管 等 调 压 器 件 ， 而 是 在 整 流 管 输 出 端 串 联 了 一 个 可 饱 和 扼 流 圈 （ 如 图 6所 示 ） ， 所 以 它 的 损 耗 小 。
由 图 6可 知 ， 磁 放 大 稳 压 器 的 关 键 是 可 控 饱 和 电 感 Lsr和 复 位 电 路 。 可 控 饱 和 电 感 是 由 具 有 矩 形 B H回 线 的 磁 芯 及 其 上 的 绕 组 组 成 ， 该 绕 组 兼 起 工 作 绕 组 和 控 制 绕 组 的 作 用 。 复 位 （ RESET） 是 指 磁 通 到 达 饱 和 后 的 去 磁 过 程 ， 使 磁 通 或 磁 密 回 到 起 始 的 工 作 点 ， 称 为 磁 通 复 位 。 由 于 磁 放 大 稳 压 器 所 用 的 磁 芯 材 料 的 特 点 （ 良 好 的 矩 形 B H回 线 及 高 的 磁 导 率 ） ， 使 得 磁 芯 未 饱 和 时 的 可 控 饱 和 电 感 对 输 入 脉 冲 呈 现 高 阻 抗 ， 相 当 于 开 路 ， 磁 芯 饱 和 时 可 控 饱 和 电 感 的 阻 抗 接 近 于 0， 相 当 于 短 路 。
目 前 开 关 电 源 工 作 频 率 已 提 到 几 百 kHz以 上 ， 磁 放 大 器 在 开 关 电 源 中 的 广 泛 应 用 对 软 磁 材 料 提 出 了 更 高 的 要 求 。 在 如 此 高 的 频 率 下 ， 坡 莫 合 金 由 于 电 阻 率 太 低 （ 约 60 μ Ω · cm ） 导 致 涡 流 损 耗 太 大 ， 造 成 温 升 高 ， 效 率 降 低 ， 采 用 超 薄 带 和 极 薄 带 虽 能 有 所 改 善 ， 但 成 本 将 大 幅 度 上 升 ； 铁 氧 体 具 有 很 高 的 电 阻 率 （ 大 于 105 μ Ω · cm ） ， 但 其 Bs过 低 ， 居 里 点 也 太 低 。 由 于 工 作 环 境 恶 劣 ， 对 材 料 的 应 力 敏 感 性 、 热 稳 定 性 等 都 有 严 格 要 求 ， 上 述 材 料 是 很 难 满 足 要 求 的 。
非 晶 合 金 的 出 现 大 大 丰 富 了 软 磁 材 料 。 其 中 的 钴 基 非 晶 合 金 具 有 中 等 的 饱 和 磁 感 应 强 度 ， 超 微 合 金 具 有 较 高 的 饱 和 磁 感 应 强 度 ， 它 们 都 具 有 极 低 的 饱 和 磁 致 伸 缩 系 数 和 磁 晶 各 向 异 性 。 钴 基 非 晶 和 超 微 晶 在 保 持 高 方 形 比 的 同 时 可 以 具 有 很 低 的 高 频 损 耗 ， 用 于 高 频 磁 放 大 器 中 ， 可 大 大 提 高 电 源 效 率 ， 大 幅 度 减 小 重 量 、 体 积 ， 是 理 想 的 高 频 磁 放 大 器 铁 芯 材 料 。
3 高 频 磁 放 大 输 出 稳 压 器 典 型 应 用 电 路
图 7所 示 的 多 路 输 出 电 源 ， 其 主 路 为 闭 环 反 馈 PWM控 制 方 式 ， 辅 路 为 磁 放 大 式 稳 压 电 源 。 由 于 辅 路 磁 放 大 输 入 电 压 波 形 受 控 于 变 压 器 主 、 辅 绕 组 比 ， 以 及 主 路 的 工 作 状 态 （ 主 路 输 出 电 压 的 高 低 和 主 路 负 载 的 高 低 等 ） ， 所 以 辅 路 的 交 叉 负 载 调 整 率 仍 然 不 能 够 达 到 理 想 的 状 态 。
图 8所 示 是 一 种 完 全 利 用 磁 放 大 器 稳 压 技 术 设 计 的 多 路 输 出 稳 压 电 源 。 此 电 源 前 级 为 双 变 压 器 自 激 功 率 变 换 电 路 ， 后 级 多 路 输 出 均 为 磁 放 大 器 稳 压 电 路 。 并 且 各 路 之 间 无 关 ， 前 后 级 之 间 无 反 馈 ， 无 脉 宽 调 制 器 （ PWM） 。
此 电 路 的 优 点 如 下 ：
1） 电 路 结 构 简 单 ， 使 用 元 器 件 数 量 少 ， 除 了 两 只 功 率 管 以 外 ， 其 它 元 器 件 均 是 永 久 性 或 半 永 久 性 的 ， 可 靠 性 极 高 ， 制 作 也 很 方 便 ；
2） 电 路 中 没 有 隔 离 反 馈 放 大 器 ， 因 此 调 整 极 其 容 易 ， 而 且 一 旦 调 整 好 后 就 无 须 维 护 ， 前 级 变 换 功 率 取 决 于 后 级 总 输 出 功 率 ；
3） 各 路 的 输 出 特 性 相 互 独 立 ， 独 自 调 整 稳 压 ， 无 主 、 辅 路 之 分 ， 所 以 ， 各 输 出 电 路 的 负 载 调 整 率 的 交 叉 负 载 调 整 率 都 非 常 理 想 ， 小 于 0 5％ ；
4） 磁 放 大 器 在 功 率 开 通 瞬 间 ， 处 于 “ 开 路 ” 状 态 ， 功 率 管 在 此 刻 的 导 通 电 流 趋 近 于 零 ， 因 而 ， 损 耗 减 到 了 最 低 限 度 ， 这 有 利 于 变 换 器 的 高 频 化 和 高 效 率 ；
5） 由 于 前 级 功 率 变 换 器 为 不 调 宽 的 纯 正 方 波 ， 以 及 后 级 接 了 磁 放 大 器 ， 这 样 可 以 大 幅 度 地 降 低 输 出 纹 波 的 峰 － 峰 值 ， 普 通 PWM型 电 源 的 输 出 纹 波 大 约 为 输 出 电 压 标 称 值 的 1％ 左 右 ， 而 采 取 带 磁 放 大 器 的 整 流 电 路 ， 纹 波 的 峰 － 峰 值 可 比 较 容 易 地 降 低 到 0.1％ 左 右 。
上 述 磁 放 大 型 稳 压 电 源 的 综 合 电 特 性 都 是 其 它 PWM隔 离 负 反 馈 多 路 电 源 所 无 法 比 似 的 。 尤 其 对 多 路 电 源 实 际 应 用 来 讲 ， 可 以 对 电 源 内 部 特 性 和 电 子 系 统 的 负 载 特 性 不 予 考 虑 ， 拿 来 就 能 使 用 ， 用 上 就 无 问 题 。 但 是 ， 现 代 磁 放 大 型 稳 压 电 源 还 存 在 如 下 一 些 问 题 ， 有 待 解 决 。
1） 电 路 形 式 需 进 一 步 完 善 （ 尤 其 是 电 源 前 级 功 率 变 换 电 路 ） ， 应 加 入 过 、 欠 压 保 护 ， 过 流 、 短 路 保 护 ， 电 源 使 能 端 。
2） 进 一 步 提 高 工 作 频 率 ， 以 便 减 小 体 积 。
3） 进 一 步 提 高 效 率 ， 减 小 磁 损 。
4 结 语
综 合 上 述 ， 对 多 路 电 源 应 用 者 而 言 ， 可 以 根 据 电 子 系 统 用 电 情 况 ， 更 切 实 际 地 提 出 所 用 电 源 的 特 性 参 数 。 对 多 路 电 源 设 计 者 而 言 ， 可 以 更 多 更 系 统 地 了 解 现 今 多 路 电 源 设 计 方 法 ， 减 少 新 产 品 的 开 发 周 期 ， 做 到 事 半 功 倍 。
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