金永鎬， 杜忠昀

（延邊大學(xué)工學(xué)院 電子信息工程系，吉林 延吉133002）

利用恒流驅(qū)動技術(shù)的10～80 V寬電壓輸入串聯(lián)型開關(guān)電源

金永鎬， 杜忠昀

（延邊大學(xué)工學(xué)院 電子信息工程系，吉林 延吉133002）

為拓寬開關(guān)電源產(chǎn)品的電壓范圍，提出了1種基于恒流驅(qū)動模式的能在10～80 V寬電壓范圍工作的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源.該開關(guān)電源采用恒流方式驅(qū)動開關(guān)管，開關(guān)管在寬電壓范圍內(nèi)始終能夠得到理想的驅(qū)動電流.實驗表明，該開關(guān)電源效率高、工作穩(wěn)定、成本低，因此，可使用于工業(yè)用各種報警器產(chǎn)品和爆閃式信號燈中.

寬電壓；恒流驅(qū)動；串聯(lián)型開關(guān)電源

0 引言

隨著電源市場的全球化，一些開關(guān)電源生產(chǎn)企業(yè)分別采用正激、反激、交錯并聯(lián)控制等方式實現(xiàn)了90～300 V的AC電壓的寬電壓輸入［1］.工業(yè)用電子產(chǎn)品要求具有直流寬電壓特性，其電壓范圍一般為12～30 V，但近年來由于12～48 V產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，如韓國的80S－DC、S125S－DC爆閃式信號燈和SEWN50－DC警報器等，該電壓范圍已不能滿足使用的需要.目前，很多用戶開始提出10～80 V的寬電壓產(chǎn)品［2］，因此，研究在10～80 V范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定工作的開關(guān)電源勢在必行.

由集成電路組成的串聯(lián)式開關(guān)電源具有效率高、體積小、使用方便等特點，如L4960、LM2576 K34063等，但其最大輸入電壓一般在50 V以下且采用固定頻率的PWM方式，因此，輸入電壓必須高于輸出電壓時才能穩(wěn)定工作，這使得其在實際應(yīng)用中受到一定的限制［3］.本文提出一種采用恒流方式驅(qū)動開關(guān)管工作的開關(guān)電源，其開關(guān)管在寬電壓范圍內(nèi)始終能夠得到理想的驅(qū)動電壓.

1 通用串聯(lián)型開關(guān)電源的工作原理及其優(yōu)缺點

通用串聯(lián)型開關(guān)電源的框圖如圖1所示.輸出電壓取樣后經(jīng)過誤差放大器放大后控制PWM發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，脈沖經(jīng)過限流電阻后驅(qū)動開關(guān)管工作［4］.開關(guān)管導(dǎo)通時電感在儲存能量的同時給濾波電容和負載供電，開關(guān)管斷開時電感釋放儲存的能量使負載得到較穩(wěn)定的連續(xù)電流，因此這種電源在小電感下可傳輸較大的功率；但其輸入電壓在寬范圍變化時，很難選擇合適的限流電阻［5］.例如：如果選擇小的限流電阻，低電壓下的驅(qū)動特性較好，但高電壓時由于電阻上的損耗過大和開關(guān)管過于飽和，使得開關(guān)特性變差；如果選擇大的限流電阻，高電壓下驅(qū)動特性雖好，但低電壓時由于開關(guān)管工作在線性區(qū)而導(dǎo)致其過熱.

圖1 通用串聯(lián)型開關(guān)電源框圖

2 恒流驅(qū)動模式驅(qū)動的串聯(lián)型開關(guān)電源

2.1 電路的組成

恒流驅(qū)動模式寬電壓輸入的串聯(lián)型開關(guān)電源的框圖如圖2所示.為了在驅(qū)動級上實現(xiàn)低損耗，必須控制驅(qū)動電流使開關(guān)管在小電流下獲得較理想的驅(qū)動波形，而在寬電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)恒流驅(qū)動的關(guān)鍵是恒流模式的施密特比較器.

圖2 恒流驅(qū)動模式驅(qū)動的串聯(lián)開關(guān)電源框圖

2.2 恒流驅(qū)動模式的施密特比較器工作原理

圖3為恒流模式的施密特觸發(fā)器電路圖.施密特比較器由Q3、Q4、R6組成，產(chǎn)生開關(guān)信號恒流電路由Q2、Q3、R6組成，當Q3處于導(dǎo)通狀態(tài)時，Q2控制Q3的基極電壓使其提供恒定的電流.恒流值取決于Q2的PN結(jié)電壓和R6的阻值，即由式I＝UBE／R6≈0.6／R6決定.

圖3 恒流模式的施密特比較器

圖3中的恒流源電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但恒流特性很好.圖4為恒流設(shè)定值分別為6 m A和20 m A，工作電壓在5～80 V范圍內(nèi)改變時，恒流端輸出的電流值的變化曲線.從圖4可知，設(shè)定值下的變化量約為7.2%，如果需要更高的精度把工作電壓用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后即可獲得變化量小于1%的恒流效果.在本文實驗中，使用6 mA的電流驅(qū)動場效應(yīng)管，使用20 m A的電流驅(qū)動三極管.

圖4 工作電壓改變時恒流值的變化曲線

2.3 驅(qū)動三極管時的工作原理

圖5為驅(qū)動三級管的電路圖.由于三極管是電流控制器件，因此直接驅(qū)動即可獲得良好的開關(guān)特性.如果工作時需要的功率較大，則可使用復(fù)合管作為功率管.

圖5 驅(qū)動三級管的電路圖

圖6為輸入電壓分別為10、20、60 V，輸出功率為5 W時的工作波形圖.從圖6可以看出，當輸入電壓低于輸出設(shè)定值時開關(guān)管總是導(dǎo)通，當輸入電壓超過輸出電壓設(shè)定值時開關(guān)管開始進行開關(guān)，且在20 V和60 V時開關(guān)波形良好.

圖6 不同輸入電壓時的工作波形圖

2.4 驅(qū)動MOSFET時的工作原理

場效應(yīng)管是電壓控制器件，需要的驅(qū)動電流很小，但其GS兩端存在的寄生電容（500～1 500 P）會使驅(qū)動脈沖的上升沿和下降沿變得緩慢，導(dǎo)致開關(guān)特性變差和開關(guān)管發(fā)熱.

圖7為利用圖5電路直接驅(qū)動場效應(yīng)管時的工作波形.由圖7可以看出，利用20 m A的電流驅(qū)動場效應(yīng)管時，導(dǎo)通點的上升沿較快，但截止點延遲一段時間后關(guān)閉且下降沿緩慢，從而引起較大的開關(guān)損耗.因此，用恒流源驅(qū)動MOSFET時應(yīng)解決2個問題：一是提高脈沖電壓改變時瞬間驅(qū)動能力，二是驅(qū)動電壓大小.

圖7 直接驅(qū)動場效應(yīng)管時的工作波形圖

圖8為驅(qū)動場效應(yīng)管的電路圖.圖中Q2和Q6組成驅(qū)動級，這樣能夠大大提高恒流源的驅(qū)動能力，使開關(guān)管迅速進行開關(guān).電阻R2的作用是提供上拉電流和決定驅(qū)動電壓大小，恒流源的電流乘R2的阻值可獲得驅(qū)動電壓，一般驅(qū)動電壓取8～15 V.增加驅(qū)動級以后，可利用較少的電流（1～6 m A）驅(qū)動場效應(yīng)管，從而進一步減少驅(qū)動功耗.

圖8 驅(qū)動場效應(yīng)管的電路圖

圖9為用圖8電路，在輸入電壓分別為10 20、60 V，輸出功率為20 W時，以6 m A驅(qū)動電流驅(qū)動場效應(yīng)管時的驅(qū)動電流波形.從圖中可以看出，驅(qū)動脈沖的波形很好，不論輸入電壓如何改變，場效應(yīng)管GS兩端的驅(qū)動電壓始終都能夠保持在10 V.

圖9 驅(qū)動場效應(yīng)管的工作波形圖

3 結(jié)論

采用恒流模式的施密特比較器來驅(qū)動三極管和MOSFET進行實驗，測得的波形和數(shù)據(jù)表明該開關(guān)電源能夠使開關(guān)管在10～80 V寬電壓范圍內(nèi)始終得到理想的驅(qū)動電壓，且動態(tài)跟蹤性能好；因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率高，且工作穩(wěn)定、電路簡單、成本低.其在小功率工作時使用三極管驅(qū)動電路，在大功率工作時使用MOSFET驅(qū)動電路.本文提出的開關(guān)電源可使用于工業(yè)用各種報警器產(chǎn)品和爆閃式信號燈中，由于以低成本實現(xiàn)了寬電壓特性，因此能夠提高產(chǎn)品的競爭力.

［1］ 陳穎，尹華杰.一種具有較寬輸入電壓范圍的電源適配器的設(shè)計［J］.通信電源技術(shù)，2006，23（4）：44－46.

［2］ 陳越，吳新科，錢照明.基于LLC拓撲的寬電壓輸出LED驅(qū)動電源研究［J］.電力電子技術(shù)，2011（3）：79－81.

［3］ 劉浩，陳志.一種寬電壓輸入范圍降壓穩(wěn)壓電路的設(shè)計［J］.微電子學(xué)，2011（1）：53－56.

［4］ 金永鎬，徐紅梅.基于同步模式的寬電壓輸入串聯(lián)型開關(guān)電源［J］.電力電子技術(shù)，2008，42（8）：71－72.

［5］ 林壯，胡進，杭麗君，等.基于NCP1601的超高電壓輸入PFC的設(shè)計［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2011（11）：40－44.

Series switching power supply with 10～80 V wide voltage input using the constant－current driving technology

JIN Yong－gao， DU Zhong－yun
（Department of Electronic Information and Engineering，
College of Engineering，Yanbian University，Yanji 133002，China）

To widen the switching power supply voltage range，a switching regulation power supply which can be working in the wide range of 10－80 V voltage based on the driving mode of constant－current is presented.The switching power supply that adopts constant－curent mode to drive switching tube can make switching tube always have perfect driving current in the wide range of voltage.The results show that the switching power supply is high efficiency，working steadily and low cost，so it can be applied to the industrial annunciators and the burst flashing signal lamps.

wide voltage；constant－current driving；series switching power supply

TM910

A

1004－4353（2012）03－0232－04

20120716

金永鎬（1964—），男，博士，教授，研究方向為智能開關(guān)技術(shù)及智能變換.