中心論題：
- 通用串聯(lián)型開關(guān)電源的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)
- 恒流驅(qū)動(dòng)模式寬電壓輸入的串聯(lián)型開關(guān)電源
解決方案：
- 電源采用MOSFET
- 電源采用特殊的恒流開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式
隨著電源市場的全球化，一些開關(guān)電源廠商各自采用正激、反激、交錯(cuò)并聯(lián)控制等方式實(shí)現(xiàn)了90V～600V的交流電壓的寬電壓輸入，而各種工業(yè)用電子產(chǎn)品又要求具有直流電壓的寬電壓特性，一般為12V～30V,但近年來這個(gè)范圍已經(jīng)顯得不夠?qū)挘虼?2V～48V的產(chǎn)品頻頻出現(xiàn)，例如：韓國的S80S-DC、S125S-DC爆閃式信號(hào)燈和SEWN50-DC警報(bào)器等，現(xiàn)在很多用戶開始提出10V～80V的寬電壓產(chǎn)品。因此，研究在10V～100V范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定工作的開關(guān)電源勢在必行。
高速大功率MOSFET生產(chǎn)技術(shù)正迅速發(fā)展，使得MOSFET的工作頻率越來越高，并且驅(qū)動(dòng)方式穩(wěn)定，價(jià)格越來越低廉，因此廣泛應(yīng)用在各種開關(guān)電源中。串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源雖具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)定性好、控制線路簡單等特點(diǎn)，但其調(diào)整管的功耗大，耐壓不是很高。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(diǎn)，如L4960、LM2576、K34063等，但最大輸入電壓一般在50V以下，且由于采用固定頻率的PWM方式，因此輸入電壓必須高于輸出電壓時(shí)才能穩(wěn)定工作，在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。
筆者提出的開關(guān)電源采用MOSFET和特殊的恒流開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，使開關(guān)管在寬電壓范圍內(nèi)始終得到理想的驅(qū)動(dòng)電壓，因此效率高、工作穩(wěn)定、成本低。可應(yīng)用在工業(yè)用各種報(bào)警器產(chǎn)品和爆閃式信號(hào)燈中，以低成本實(shí)現(xiàn)寬電壓特性，可提高產(chǎn)品的競爭力。
通用串聯(lián)型開關(guān)電源的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)
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(dòng)開關(guān)管工作。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電感儲(chǔ)存能量的同時(shí)給濾波電容和負(fù)載同時(shí)供電，開關(guān)管斷開時(shí)電感上儲(chǔ)存的能量釋放使負(fù)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，但由于其輸入電壓在寬范圍內(nèi)變化，很難選擇合適的限流電阻。如果選擇小的限流電阻，低電壓下的驅(qū)動(dòng)特性較好，但高電壓時(shí)由于電阻上的損耗過大、開關(guān)管過飽和使得開關(guān)特性變差；選擇大的限流電阻時(shí)，高電壓下驅(qū)動(dòng)特性較好，但低電壓時(shí)由于開關(guān)管工作在線性區(qū)而導(dǎo)致其過熱。
恒流驅(qū)動(dòng)模式寬電壓輸入的串聯(lián)型開關(guān)電源
a.電路的組成
恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)級(jí)上實(shí)現(xiàn)低損耗，必須控制驅(qū)動(dòng)電流使開關(guān)管在小電流下獲得較理想的驅(qū)動(dòng)波形。MOSFET是電壓控制器件，具有高輸入阻抗，且只需控制電壓，但具有較大的輸入電容，大約為500pF～1500pF, 因此采用恒流驅(qū)動(dòng)方式控制MOSFET進(jìn)行開關(guān)時(shí)，若不采取特殊措施，則控制脈沖邊沿特性變差，開關(guān)損耗大，會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱。
圖3為實(shí)際電路圖。由Q4、Q3、R6組成施密特比較器，產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。由D5、D6、R3、R1、D1組成的電路使施密特比較器工作在恒流狀態(tài)下，C4加速電容使脈沖下降沿非常陡。由Q2、R2、D3組成驅(qū)動(dòng)級(jí)保證MOSFET迅速開關(guān)，C3起軟驅(qū)動(dòng)作用,上電時(shí)通過R1對(duì)C3充電，G點(diǎn)的電壓逐漸上升,Q3的輸出電流也逐漸增大。
b.恒流驅(qū)動(dòng)模式的工作原理
通常組成施密特比較器的Q4、Q3都工作在開關(guān)方式，而圖3中Q4是按開關(guān)方式工作，Q3則工作在放大區(qū)和截止區(qū)。當(dāng)Q4截止時(shí)，由于D5、D6的存在，使Q3進(jìn)入恒流狀態(tài)，輸出電流由式(1)決定。為了得到較好的驅(qū)動(dòng)波形，把本電路的恒流電流設(shè)定為10mA,則該電流在R2兩端產(chǎn)生的壓降就是場效應(yīng)管的柵-源電壓VGS，設(shè)定為10V，使MOSFET飽和導(dǎo)通。
圖3中VF≈1V,施密特比較器的兩個(gè)比較點(diǎn)電壓分別為VH和VL，由式(2)和式(3)決定。
由于加速電容C4的作用,實(shí)際工作時(shí)，MOSFET的柵-源極輸入脈沖的下降沿非常陡，且又由于柵-源極輸入電容的作用，使VGS 波形具有一定的斜率，這有利于MOSFET的飽和導(dǎo)通。圖4為驅(qū)動(dòng)波形。
圖5為當(dāng)輸出電壓為10V、電流為2A時(shí)，在不同輸入電壓狀態(tài)下，圖3中A點(diǎn)和B點(diǎn)的實(shí)測波形。由圖5可知,當(dāng)輸入電壓為13V時(shí)，MOSFET關(guān)斷時(shí)間很短，當(dāng)輸入電壓為10V時(shí),MOSFET則一直導(dǎo)通。
c.MOSFET驅(qū)動(dòng)級(jí)的工作原理
由Q2、R2、D3組成驅(qū)動(dòng)級(jí)，使MOSFET迅速關(guān)閉。Q3在恒流源狀態(tài)工作時(shí)由于C4的作用，下拉的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，下拉時(shí)D3導(dǎo)通使Q1迅速飽和。上拉能力取決于R2,如果不加Q2直接驅(qū)動(dòng)Q1，則由于Q1的輸入電容，脈沖的上升沿較緩慢,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.恒流源的動(dòng)態(tài)特性
由圖5可以看出,恒流源在輸入不同電壓時(shí)，在R2兩端產(chǎn)生的電壓VGS應(yīng)始終保持10V左右，以保證在寬電壓范圍內(nèi)可靠工作。為了驗(yàn)證快速動(dòng)態(tài)跟蹤性能，在輸入端上加了50Hz、60V的交流電壓，圖6為當(dāng)輸入電壓為交流時(shí)，圖3中A、B點(diǎn)及VG S的工作波形。從中可以看出，當(dāng)輸入電壓在很大范圍內(nèi)改變時(shí)，VG S 近似保持在10V左右，即圖中陰影帶部分。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用MOSFET和特殊的恒流開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式的開關(guān)電源，能夠使開關(guān)管在10V～100V寬電壓范圍內(nèi)始終得到理想的驅(qū)動(dòng)電壓，因此效率高、工作穩(wěn)定、電路簡單。
