宽调节开关电源可选择的一种电路结构

摘   要:  本文简单概述了宽调节电源的发展,提出了采用开关电源构成的一种宽调节电源电路的结构、原理及基本设计要点。
概述
在电源应用中,常常希望电源输出电压调节宽，或者输入电压可适应很宽的范围，或既有一定输出电压调节宽度，又能适应很宽的输入电压范围。通常这类电源称为“宽调节电源” 。在电源发展过程中，有多种方式可以实现这个目标，有的电路至今仍在使用。上世纪60年代开始，晶体管串联方式的稳压电路已普遍使用，其缺点是串联晶体管上的损耗比较大，当输出电压要求宽调节时, 调整的串联晶体管上压降变化很大，势必引起很大的功率损耗，降低电源效率，结构上需要大的散热器, 增加了体积和重量。为了在输出电压调整时保持调整管压降或将它控制在小的范围内变化, 不至产生过大的损耗，最简单的办法是改变变压器抽头， 通过波段开关的选择调整串联稳压器输入电压, 以保持小的调整管压降，达到输出宽调节的目的。但是这种办法输出电压调节的不连续和波段开关的不可靠性是它的缺点。后来，随着开关电源的发展, 为了减少调整管上的损耗，采用降压开关电路替代串联稳压电路。 这种方式的宽调节电源在上世纪60年代末70年代初形成产品, 作为实验室常用电源。但它的缺点依旧存在。
与此同时, 串联稳压电路加前置调节的电路开始应用。 常采用的前置电路是移相式可控整流电路。整体电路有两个相关的控制电路。可控整流电路的反馈信号取自串联稳压器的调整管两端, 它依据调整管两端电压变化来改变串联稳压器的输入电压，这样保证了串联稳压器输出大范围变化时, 通过前置调节电路调整串联稳压器输入电压， 保持调整管上的电压不变,并将损耗限制在最小范围内。 这种方式的宽调节电源实现了连续调节，最大的优点是保持了串联调节电源纹波小和稳定性高的特点, 至今还有大量应用。 其缺点是很难省去工频变压器而使体积和重量偏大，适合应用性实验室。

图1 二级单控的电路拓扑

图2 降压—半桥电路

单级开关电源实现宽调的限制
开关电源广泛应用以后, 人们自然会想到开关电源是否可实现宽调节的目的。众所周知，开关电源大多是采用恒工作频率，PWM方式工作，即一周期内控制功率管的导通比来实现调节，导通比为:d=t_on/(t_on+t_off)     (1)

 其中，ton和toff分别为一周中导通时间和关闭时间，d<1。
对于降压开关电路以及它演变的正激、半桥和全桥电路，其输出均需应用LC滤波电路, 在理想条件下，输入电压和输出电压的关系为:V_out=dV_in     (2)

Vout,Vin分别为输出、输入电压, 从式(2)可以看出d实际上决定了输出电压和输入电压的比, 也反应了输出和输入可调范围的能力。
在实际开关电源的设计中, 因为要考虑到电网的变化、负载变化以及负载变化引起输入直流电压变化等, 在额定的情况下，d一般选择在0.5~0.6；低输入电压、满负载及输出上调10%的情况下, d可能达到0.9；相反，高输入电压、空载，输出电压下调10%的情况下，d可能达到0.2~0.3。 考虑必需的工作死区,  d不能选择过大,  d较小时工作时脉冲电流会增大。一般正激电路不可能达到输出或输入在很宽的范围内调节, 通常在输入电压变化