基于恒流驱动模式的宽电压输入串联型开关电源

中心论题：

• 通用串联型开关电源的工作原理及优缺点
• 恒流驱动模式宽电压输入的串联型开关电源

解决方案：

• 电源采用MOSFET
• 电源采用特殊的恒流开关驱动方式

   
随着电源市场的全球化，一些开关电源厂商各自采用正激、反激、交错并联控制等方式实现了90V～600V的交流电压的宽电压输入，而各种工业用电子产品又要求具有直流电压的宽电压特性，一般为12V～30V,但近年来这个范围已经显得不够宽，因此12V～48V的产品频频出现，例如：韩国的S80S-DC、S125S-DC爆闪式信号灯和SEWN50-DC警报器等，现在很多用户开始提出10V～80V的宽电压产品。因此，研究在10V～100V范围内能够稳定工作的开关电源势在必行。
   
高速大功率MOSFET生产技术正迅速发展，使得MOSFET的工作频率越来越高，并且驱动方式稳定，价格越来越低廉，因此广泛应用在各种开关电源中。串联直流稳压电源虽具有调压范围宽、稳定性好、控制线路简单等特点，但其调整管的功耗大，耐压不是很高。集成电路组成的串联式开关电源具有效率高、体积小、使用方便等特点，如L4960、LM2576、K34063等，但最大输入电压一般在50V以下，且由于采用固定频率的PWM方式，因此输入电压必须高于输出电压时才能稳定工作，在实际应用中受到了一定的限制。
   
笔者提出的开关电源采用MOSFET和特殊的恒流开关驱动方式，使开关管在宽电压范围内始终得到理想的驱动电压，因此效率高、工作稳定、成本低。可应用在工业用各种报警器产品和爆闪式信号灯中，以低成本实现宽电压特性，可提高产品的竞争力。

通用串联型开关电源的工作原理及优缺点
通用串联型开关电源的框图如图1所示。输出电压取样后经过误差放大器放大后控制PWM发生器产生脉冲，脉冲经过限流电阻后驱动开关管工作。开关管导通时电感储存能量的同时给滤波电容和负载同时供电，开关管断开时电感上储存的能量释放使负载得到较稳定的连续电流，因此这种电源在小电感下可传输较大的功率，但由于其输入电压在宽范围内变化，很难选择合适的限流电阻。如果选择小的限流电阻，低电压下的驱动特性较好，但高电压时由于电阻上的损耗过大、开关管过饱和使得开关特性变差；选择大的限流电阻时，高电压下驱动特性较好，但低电压时由于开关管工作在线性区而导致其过热。

 

                       
恒流驱动模式宽电压输入的串联型开关电源
a.电路的组成
恒流驱动模式宽电压输入的串联型开关电源的框图如图2所示。为了在驱动级上实现低损耗，必须控制驱动电流使开关管在小电流下获得较理想的驱动波形。MOSFET是电压控制器件，具有高输入阻抗，且只需控制电压，但具有较大的输入电容，大约为500pF～1500pF, 因此采用恒流驱动方式控制MOSFET进行开关时，若不采取特殊措施，则控制脉冲边沿特性变差，开关损耗大，会严重发热。

 

                        
图3为实际电路图。由Q4、Q3、R6组成施密特比较器，产生开关信号。由D5、D6、R3、R1、D1组成的电路使施密特比较器工作在恒流状态下，C4加速电容使脉冲下降沿非常陡。由Q2、R2、D3组成驱动级保证MOSFET迅速开关，C3起软驱动作用,上电时通过R1对C3充电，G点的电压逐渐上升,Q3的输出电流也逐渐增大。

 

                      
b.恒流驱动模式的工作原理
通常组成施密特比较器的Q4、Q3都工作在开关方式，而图3中Q4是按开关方式工作，Q3则工作在放大区和截止区。当Q4截止时，由于D5、D6的存在，使Q3进入恒流状态，输出电流由式(1)决定。为了得到较好的驱动波形，把本电路的恒流电流设定为10mA,则该电流在R2两端产生的压降就是场效应管的栅-源电压VGS，设定为10V，使MOSFET饱和导通。

 

    
图3中VF≈1V,施密特比较器的两个比较点电压分别为VH和VL，由式(2)和式(3)决定。
 

 

    
由于加速电容C4的作用,实际工作时，MOSFET的栅-源极输入脉冲的下降沿非常陡，且又由于栅-源极输入电容的作用，使VGS 波形具有一定的斜率，这有利于MOSFET的饱和导通。图4为驱动波形。

 

                       
图5为当输出电压为10V、电流为2A时，在不同输入电压状态下，图3中A点和B点的实测波形。由图5可知,当输入电压为13V时，MOSFET关断时间很短，当输入电压为10V时,MOSFET则一直导通。

 

                       
c.MOSFET驱动级的工作原理
由Q2、R2、D3组成驱动级，使MOSFET迅速关闭。Q3在恒流源状态工作时由于C4的作用，下拉的驱动能力很强，下拉时D3导通使Q1迅速饱和。上拉能力取决于R2,如果不加Q2直接驱动Q1，则由于Q1的输入电容，脉冲的上升沿较缓慢,Q1不能迅速截止，因此加Q2的作用是提高上拉能力，使Q1迅速截止。

d.恒流源的动态特性
由图5可以看出,恒流源在输入不同电压时，在R2两端产生的电压VGS应始终保持10V左右，以保证在宽电压范围内可靠工作。为了验证快速动态跟踪性能，在输入端上加了50Hz、60V的交流电压，图6为当输入电压为交流时，图3中A、B点及VG S的工作波形。从中可以看出，当输入电压在很大范围内改变时，VG S 近似保持在10V左右，即图中阴影带部分。
   
实验结果表明,采用MOSFET和特殊的恒流开关驱动方式的开关电源，能够使开关管在10V～100V宽电压范围内始终得到理想的驱动电压，因此效率高、工作稳定、电路简单。
 

 

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