多路输出开关电源的设计及应用原则

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1、多路输出开关电源的设计及应用原则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十5M 15V或 12V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：+3.3V, +5V,15V,12V,5V, 9V,+18V,十24V、+27V、60M +135V、+300V、 200V、+600V、+1800V、+3000V、+5000V （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

2、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

3、，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: Np32）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。图1多路输出开关电源框图图3辅助电路加一个线性稳压调节器在以上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

4、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、S2Sn,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ULjo4）按式（1）计算第j路的交叉负载调整率 SIL。凶SIL j. =X 100% （ 1）式

5、中： 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。3 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

6、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=（Vaux Vaux1）Iaux ,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（ Vau x -Vaux1）,即就是要有意识增大 Vaux,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）

7、辅电路交叉负载调整率不大于10%。4 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 12V/05A, 15V/1A。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

8、，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。以土 15V/1A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%。图2测试仪表及设备连接图4改进型2路输出电路3NYC反惯PWM揶制IN N号利图53路电源设计方案以图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12V,

9、 15V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，主十5V输出与辅路士 Vout（可以是土 15V或 12V）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个十5V电源和1个土 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50mV纹波有效值应小于10ms和采用同步工作方式

10、。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

11、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

12、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60rQ - 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105rQ cm）,彳1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。图6磁放大输出稳压电路图7辅路带磁放大器的典型应用电路图8完全利用磁放大器的稳压电路非晶合金的出现大大丰富了软磁材料。其中的钻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

13、性。钻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PWME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

14、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

15、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 PW值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PW幅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。1 ）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。