摘要：随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活关系日益密切，而任何电子设备都离不开可靠的电源。开关电源中核心的部分就是控制IC，它具有高集成度、高性价比、最简外围电路、高效率等优点，从而得到了广泛应用。本文设计了开关型稳压电源电路主要阐述了开关电源的工作原理，详细介绍了本电路的整体工作原理，最后重点介绍了振荡器电路、次级整流滤波电路、精密光耦反馈电路、恒压电路。
关键词：开关电源；频率调制；防雷 ；开关电源调试方法
基金项目：贵州省科技厅联合基金（黔科合JLKS[2011]2号）
1 引言
开关电源是一种利用开关功率器件并通过功率变换技术而制成的直流稳压电源。它具有体积小、重量轻、效率高、对电网电压及频率的变化适应性强、输出电压保持时间长、有利于计算机信息保护等优点，应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。开关电源又被称为高效能节能电源，内部电路工作在高频开关状态，自身消耗的能量很低，一般电源效率可达80%左右，比普通线性稳压电源提高一倍。
1.1开关型稳压电源的的特点
开关型稳压电源的电路的特点调整管工作在开关状态，这对降低功率损耗，进一步提高电源的效率，减小散热设备的体积和重量非常有利。因此，从70年代初起受到人们普遍重视。优点有很多如下：
（1）功耗小，效率高。在一般情况下效率达到70%以上，若设计安装考虑周密，可提高80%以上，并且效率下受电网电压越高，损耗越大，效率越低，因此开关型稳压可节省电能，提高整流的稳定性和可靠性。
（2）稳压的范围宽，且不会因电网升高压而增加调整管的功耗。开关型稳压电源容做到电网电压低到130v，高到260v ，输出电压保持稳定。而连续调整串联型电源 稳压范围，一般是180—240v，如果电网电压降低，稳压电源由稳压状态转入有滤波状态，接受图像质量明显下降，如果电网电压近高，有会使调整管功耗增加。
（3）开关型高压稳压电源一般取消了工频变压器。开关管功耗减小，不需要庞大的散热设备重量减轻，体积缩小，节约了硅钢片和铜线贵重金属。
（4）开关型稳压电源的工作频率高，可以相应地使用电容较小的滤波电路。
2 开关型稳压电源工作原理
开关型稳压电源的电路形式很多。按变换器的储能元件与负载的接法不同，可以分为串联型和并联型。按控制环路对开关管的控制方式，这些电路类型虽不同，但他们的基本工作原理是相同的。
2.1电路组成方框图
开关电源的工作原理如图1所示，输入电压的交流电，经过滤波，再由整流桥整流后变为直流，通过控制电路中开关管的导通和截止使高频变压器的一次测产生低压高频电压，经由小功率高频变压器藕合到二次测，再经整流滤波，得到直流电压输出。为了使输出电压稳定，用了TL431取样，将误差经光耦合放大，通过PWM来控制开关管的导通与截止时间（即占空比），使得输出电压保持稳定。
2.2开关型稳压电源电路分析及器件参数选择
电路基本工作原理：
输入电压（60VAC/50Hz）经保险丝、防雷电路、EMI滤波器、二倍压整流滤波电路后得到约120V的直流电压，为后极提供能量。
Q2及周边器件构成一振荡器控制功率场效应晶体管（POWER MOSFET）的通断。电流在高频变压器初级线圈中的通断，将伴随产生相应的反向电动势，并把能量传递到次级绕组及反馈绕组，从而实现直流电压到交流电压的逆变。
变压器次级之后，经整流、滤波、稳压后得到所需的直流电压Uout。变压器反馈绕组上产生的交流感应电动势经D4、C18整流、滤波后为光电耦合器IC1的接收端提供直流偏置电压，同时向振荡器提供电流注入，以维持振荡。
IC1、IC2等组成精密光电耦合反馈回路。输出端的电压波动将被放大并反馈至振荡器，改变振荡器的频率，从而实现输出电压的稳定。
2.2.1 输入部分：
如图3所示，输入部分电路由熔断保险F1、压敏电阻RV、自恢复保险RT1、共模线圈、整流二极管、滤波电容等组成。其中，保险丝和热敏电阻用作过流保护，保险丝的熔断电流由输出功率决定，自恢复保险的保护电流应比熔断保险的熔断电流低。RV为尖峰电压抑制而设计，用来防止雷击等高电压、高能量信号，确保电路安全，参数选择典型值600V。C1用来抑制串模干扰，选取典型值473（47nf），耐压值应大于输入电压的2倍，现选630V。共模线圈L11用来抑制电网引入的共模噪声，两个线圈由磁环耦合，以提高共模抑制能力参数选典型值33mH。二极管D1、D2、C12、C13构成二倍压整流滤波电路，整流后输出约120V直流电压。
2.2.2 振荡器及开关部分
高频变压器次级电压经D6整流、L12等滤波后输出直流电压。D6选用大电流、超快恢复二极管，以防止反向开关噪声击穿二极管。L12、C20、C21构成滤波器，截止频率应小于50Hz，L12选用磁珠，可有效抑制开关噪声的产生。
LED为电源指示灯，选用3mm高亮发光二极管，典型工作电流为3mA，典型管压降为Ud=1.5V。限流电阻R11的取值原则是：R11=（Uout-Ud）/3mA，在此取为8.2K。稳压管D7取+24V。
2.2.3 精密光耦反馈电路及频率调整
TL431的简介
TL431是三端可调稳压器，利用两只外部电阻可设定2.50—36V范围内的任何基准电压值。TL431的电压温度系数很小。动态阻抗低，典型值为0.2欧，输出噪声低，具有适合汽车工业等温度范围内所规定的热稳定性，有效输出电路具有很陡的导通特性，从而使得这些器件在诸如板上稳压，可调电源和开关电源的应用中，可以很好的替代齐纳二极管。
德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。
左图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。
由图7可知，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图7的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。
3 恒压电路应用
上述提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=（1 R1/R2）Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 小于100mA。
当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件的工作原理在应用中的方法。将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路。
在当前应用中，R9、R10将输出电压分压后给TL431参考端提供2.5V，C23用作滤波电容，将TL431两端的高频成分滤除。R8为限流电阻。
此时，输出电压Uout=发光管压降Ud+TL431端电压Uz+UR8 。由于流过R8的电流很小（mA级），R8上的压降<0.5V，所以Uout=Ud+Uz。当输出电压由于某种原因导致升高时，TL431参考端电压上升，Uz下降，所以流过光耦发光管的电流增加，反之减小。
刚上电时，由于R2向C16充电到Q2导通时，C16上的电压刚好等于Q2导通门限电压，Q2导通后，通过R2对C16充电的“源”随之消失，继之而来的是放电，所以，如果没有额外的电流维持C16的电压，Q2将不能振荡。
Q1关断后，反馈绕组上产生感应电压，当感应电压高于D3击穿电压的时间内，经R3有电流向C16充电，直到感应电压下降至D3截止。该电流正好维系了Q2具有一定的导通时间，形成振荡。（改变R3的值将改变开关波形的占空比）。所以D3、R3为本开关电源的自启动电路。电源启动后，通过IC1 接收端将有电流持续向C16充电，电路稳定振荡。
反馈回路
TL431-光耦将输出电压变化量放大后反馈至C16，电压调整过程如下：
输出电压升高→反馈电流升高→开关频率下降→输出电压下降。反之亦然。
根据上述原理，进行了设计并制造了样机，调试后性能稳定。该电路的特点是占空比与输入电压成正比（频率成反比），不受负载影响，因而容易大范围控制。由于开关管的频率受限， 电源效率稍微比集成开关管低。为了提高此电路的电源效率最好使用频率较高的开关管，频率越高节能效果就最佳。
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作者简介：
吴冬妮 女，贵州贵阳人，讲师，2012级博士研究生，主要从事光电子发光材料的研究。
E-mai：Wudongni0118@163.com.lianxi 联系方式：13765105519
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