恒压恒流输出式单片开关电源的设计原理
开关电源恒压恒流控制回路的工作原理和参数计算
开关电源恒压恒流控制回路的工作原理和参数计算1.电压控制环的设计恒压源的输出电压由下式确定U O=U Z+U F+U R1=U Z+U F+I R1R1其中，U Z=6.2V（即稳压管VD1的稳定电压），光耦合器PC817A中红外 LED的正向压降U F=1.2V （典型值），需要确定的只是R1上的压降U R1。
令R1上的电流为I R1，VT2的集电极电流为I C2，光耦合器输入电流（即LED工作电流）为I F，显然I R1=I C2=I F，并且它们随u、I C和光耦合器的电流传输比CTR值而变化。
已知单片LED 驱动电源的控制端电流I C变化范围是2.5mA（对应于最大占空比D MAX）~6.5mA（对应于最小占空比D MIN），现取中间值I C=4.5mA。
因I C是从光敏三极管的发射极流入控制端的，故有关系式I R1=I C CTR采用线性光耦合器时，要求CTR=80%～160%，可取中间值：120%。
在I C和CTR 值确定之后，很容易求出I R1。
将I C=4.5mA，CTR=120%代入式中得到，I R1=3.75mA。
令R=39R时，U R1=0.146V。
最后计算出U O=U Z+U F+U R1=6.2V+1.2V+0.146V=7.546V=7.5V2.电流控制环的设计电流控制环由VT1、VT2、R1~R6、C1和PC817A等构成。
下面要最终计算出恒定输出电流I OH 的期望值。
R2为VT1的基极偏置电阻，因基极电流很小，而R3上的电流很大，故可认为VT1的发射结压降U BE1全部降落在R3上。
有公式I OH=U BE1 R3利用下面两式可估算出VT1、VT2的发射结压降U BE1=kTqln(I C1I S)U BE2=kTqln(I C2I S)式中：k为玻尔兹曼常数；T为环境温度（用热力学温度表示）；q是电子电量；当T A=25℃时，T=298K，kTq=0.0262（V）；I C1、I C2分别为VT1、VT2的集电极电流；I S为晶体管的反向饱和电流，对于小功率管，I S=4×10−14A。
基于FSEZ1317A的恒压-恒流开关电源设计
× 50kH = 2.22mH
在输出功率最大的 A 点处， I DS 及 MOSFET 导通时间达到最大值，即：
I DS _ PK =
2 × PIN _T @ A = LP × fS
2 × 8.53 A = 392mA
2.22m × 50k
tON @ A
= I DS _ PK
× LP VMIN @ A
图 6 EE16 磁芯规格参数
图 7 PC40 锰锌铁氧体 B-H 曲线
为了防止磁芯出现饱和，通常将最大磁通密度设为 2500~3000 高斯。取最大磁通密度为 3000 高斯注，则可以计算出一次绕组匝数：
NP
=
LP × I DS _ PK B × Ae
×108
=
2.22m × 392m 3000× 0.192
tON @C
=
LP
×
2 × PIN _T @C LP × fS
VMIN @C
2.22m × 2× 2.62
=
2.22m × 33k s = 2.2us
269.6
tOFF @C
=
1 fS
− tON @C
× ⎜⎜⎝⎛1+
NS NP
× VMIN @C VO _ min + VF
⎟⎞ ⎟⎠
= 1 − 2.2u × ⎜⎛1+ 1 × 269.6 ⎟⎞s
= 4.8×1.4 W = 8.53W 0.788
为了使 FSEZ1317A 准确检测输出参数以实现恒流输出，必须保证电源在所有情况下都 处于非连续工作状态（DCM）。如图 1 所示，当输出电压降到额定电压的 70%时，FSEZ1317A
会主动将开关频率 fS 从 50kHz 降到 33kHz，以防止电源进入连续工作状态（CCM），因此 B
恒功率输出式单片开关电源的设计原理
收稿日期:2000-06 沙占友,男,河北科技大学电子工程系教授,出版了多本专著。
恒功率输出式单片开关电源的设计原理沙占友 睢丙东 王彦朋(河北科技大学 石家庄 050054) 摘要:介绍由TOP202Y 构成的恒功率输出式单片开关电源的工作原理和设计要点。
关键词:单片开关电源 恒功率 输出 控制电路 图1 15W 恒功率输出式开关电源的电路图 恒功率输出单片开关电源的特点是,当输出电压V 0降低时,输出电流I 0反而会增大,使二者乘积I 0・V 0不变,输出功率P 0保持恒定。
这种开关电源可作为高效、快速、安全的电池充电器,对笔记本电脑的电池进行充电。
恒功率输出特性近似为一条双曲线。
1 恒功率输出式开关电源的工作原理 TOP202Y 是美国Power 公司研制的TOPSwitch 系列三端单片开关电源。
它只有三个引出端(控制端C 、源极S 、漏极D ),内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET )、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网隔离,适用于构成无工频变压器式高效开关电源。
由TOP202Y 构成的15V 、15W 恒功率输出式开关电源,电路如图1所示。
TOP202Y 型单片开关电源在宽范围电压输入(u =85V ～265V AC )时的最大输出功率为30W 。
该电源工作在连续模式下,并且从次级来调节输出功率,不受初级电路的影响。
当输出电压从15V (即100%・V 0)降至715V (即50%・V 0)时,恒功率准确度可达±10%。
85V ～265V 交流电压经过BR ,C 1整流滤波后,为初级回路提供直流高压。
漏极箝位保护电路由VD Z 1和VD 1构成。
反馈绕组电压经过1N914、C 4整流滤波后,给光耦中的光敏三级管提供集电极电压。
C 5为控制端的旁路电容。
次级电压由VD 2、C 2、L 1和C 3构成。
VD 2采用FE3C 型150V/4A 的超快恢复二极管。
LED恒压和恒流驱动电源工作原理
LED恒压和恒流驱动电源工作原理
LED恒压和恒流驱动电源工作原理
LED线性恒流(CC)驱动电源具有电路简单、使用元器件数量少和EMI小的特点。
LED采用串联工作方式可以确保通过每只LED的工作电流一致，而LED恒压(CV)驱动LED并联使用时则不能确保通过每只LED的工作电流一致。
线性LED驱动电路的功耗可以用公式
(VIN-n×VF)×IF表示，公式中n表示LED负载串中的LED数，在LED负载电流等于或大于350mA的应用场合，线性LED驱动电路中的功率管需用散热片，加大了LED驱动电路的成本和体积。
(1)LED恒压驱动电源工作原理
LED负载恒压驱动电源工作原理图如图2所示，通过调节输出取样电阻RFB1和RFB2的取值，可以调节输出电压数值。
由于LED的发光色温、输出流明数和LED的正向工作电流有关，为稳定LED光输出，实用中不宜采用恒压LED驱动工作方式。
恒压恒流充电器原理
恒压恒流充电器原理
恒压恒流充电器是现代电子产品中常用的充电器类型之一。
其原理是在充电过程中，通过调整电源输出电压和电流大小，使得充电电流能够在一定的范围内保持恒定，并且保证充电电压始终稳定在设定的值。
恒压恒流充电器的工作原理可以简单描述为：当电池电压低于设定值时，充电器将输出一个恒定的电流，直到电池电压上升到设定的电压水平。
此时，充电器将保持一个稳定的电压，直到电池电流下降到恒定的充电电流水平为止。
这种充电方式可以保证电池充电效率高、充电时间短、充电过程稳定等优点。
恒压恒流充电器主要由两个部分组成：调整电路和控制电路。
调整电路负责调整电源电压和电流大小，以适应不同类型的电池充电需求，而控制电路则负责监测电池的状态，控制充电过程，以保证电池的安全和寿命。
在实际应用中，恒压恒流充电器可以应用于各种类型的电池，如铅酸电池、镍氢电池、锂电池等，可以广泛用于移动电子产品、电动工具、电动汽车等领域。
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关于可调恒压恒流电源的原理、特性及使用
关于可调恒压恒流电源的原理、特性及使用：恒压恒流的原理：根据U=IR，R=U/I：如果R>(U/I),则电源正常工作。
如果R<(U/I),I是恒定不变的，则电源恒流部分保护，输出电压下降，直到满足条件R=(U/I)。
特性：所谓的恒压，即电压可以恒定到一个值上，可调恒压，即这个恒定的电压值是可调的。
所谓的恒流，即电流可以恒定到一个值上，可调恒流，即这个恒定的电流值是可调的。
使用：可调恒压恒流电源在使用前需要先设置恒流保护值，再设置输出电压，然后开始工作。
首先将电源输出电压调到5V左右，短路输出，调整电流输出旋钮设置保护电流到你需要的值，撤消短路，调整电压到需要值，接上实验设备开始工作。
例如：一个电路的工作电压是12V所需电流约0.3A，操作如下。
将电源输出电压调到5V左右，短路输出，调整电流输出旋钮设置保护电流0.5A（要比工作电流略大），撤消短路，调整电压到12V，接上电路开始实验。
如果试验过程中电路板放到金属上部分电路短路了，使电流剧增，当电流上升到0.5A时，电源恒流保护部分工作随即使输出电压下降以保护试验设备。
常识了解：交流电压经过全波整流电容滤波后直流电压约是交流电压的1.414倍。
例如10V的交流电压经过全波整流电容滤波后直流电压约等于14V。
继电器切换点的选择：交流输入电压减去5V等于切换电压。
例如变压器抽头0-15V-25V-35那么第一级的切换电压是15V-5V=10V，即在10V 时切换到25V的抽头上。
第二级的切换电压是25V-5V=20V，即在20V时切换到35V的抽头上。
关于继电器切换与否可以测R17两端的电压来判断，R17电压（直流）除以1.414约等于当前的抽头电压（交流）。
调试前的准备：安装后经检查无误后（输出端的电容和二极管一定要装；3DF20要装到大的散热器上），如果您没有接电流表，请把电流表接点“A”短路，然后通电。
请参考原理图：测C1、C2电压，应在12-25V为正常。
LinkSwitch系列恒压-恒流式单片开关电源的应用
3）次级整流管应采用肖特基二极管。图 1 中的 VD2 就采用 1A/60V 的肖特基 二极管。
4）预先可假定电源效率 η=70％。 5）源极引脚必须与印制板上的覆铜箔接触良好，以保证将热量及时散发出 去，使芯片温度不超过＋100℃。 除了受温度条件、通风状况、封装形式、电源结构等因素的影响之外，在给 定条件下 LinkSwitch 的最大输出功率还与高频变压器磁芯的大小、导磁率、初
3.4 关键元器件的选择
下面以图 1 为例，介绍选择外围关键元器件的原则。
1）钳位二极管 VD1 应选择耐压为 600V 甚至更高的快恢复或超快恢复二极管， 不能用普通的低速二极管。
2）钳位电容 C4 可采用 0.1μF、100V 的金属膜或塑料薄膜电容，容量误差 在±5％、±10％或±20％均可，但不推荐使用陶瓷电容，因为该种电容受温度 和电压变化的影响较大、容易引起输出电压的波动。
2）LNK500、LNK501 在宽范围输入（交流 85～265V）时的最大输出功率为 3W，交流 230V 固定输入时的最大输出功率为 4W。通常将 LinkSwitch 设计在不 连续模式下工作。利用光耦反馈技术可提高恒压输出的精度和稳定度，而利用外 部稳压管进行二次稳压能改善恒流特性。
3）该器件采用新颖的初级恒压、恒流控制方案，包括初级钳位、反馈、内 部供电和回路补偿等电路，极大地简化了外围电路的设计。LNK500／501 不需要 辅助绕组及外部恒压／恒流控制电路，完全由初级感应电压 UOR 来控制恒压／恒 流输出。
式中：LP 为初级电感量；
I f 2 LIMIT
恒流电源原理
恒流电源原理
恒流电源是一种特殊类型的电源，它能够提供恒定的电流输出。
它的工作原理是通过反馈控制的方式，使得输出电流保持稳定，不受负载变化或其他外部因素的影响。
恒流电源通常由一个可调节的电压源和一个反馈回路组成。
电压源提供电压信号，而反馈回路监测负载电流并与设定的参考电流进行比较。
根据这个比较结果，反馈回路通过控制电源的输出，使得输出电流保持恒定。
具体而言，当负载电阻发生变化时，负载电流也会随之变化。
反馈回路会监测到这个变化，并将其与参考电流进行比较。
如果负载电流小于参考电流，反馈回路会向电源发出控制信号，使得电源提供更多的电流。
相反，如果负载电流大于参考电流，反馈回路会减少电源的电流输出。
通过这种反馈控制的方式，恒流电源能够始终保持输出电流的稳定性，从而确保负载电路得到恒定的电流供应。
这对于一些特定的应用非常重要，例如LED驱动和精确的电流控制实验中。
总之，恒流电源通过反馈控制的方式实现输出电流的恒定，使得负载电路得到稳定可靠的电流供应。
这种电源在许多应用中都非常有用，尤其是在需要精确电流控制的情况下。
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恒压/恒流输出式单片开关电源可简称为恒压/恒流源。
其特点是具有两个控制环路,一个是电压控制环,另一个为电流控制环。
当输出电流较小时,电压控制环起作用,具有稳压特性,它相当于恒压源;当输出电流接近或达到额定值时,通过电流控制环使IO维持恒定,它又变成恒流源。
这种电源特别适用于电池充电器和特种电机驱动器。
下面介绍一种低成本恒压/恒流输出式开关电源,其电流控制环是由晶体管构成的,电路简单,成本低,易于制作。
1.恒压/恒流输出式开关电源的工作原理7.5V、1A恒压/恒流输出式开关电源的电路如图1所示。
它采用一片TOP200Y型开关电源(IC1),配PC817A型线性光耦合器(IC2)。
85V～256V交流输入电压u经过EMI滤波器L2、C6)、整流桥(BR)和输入滤波电容(C1),得到大约为82V～375V的直流高压UI,再通过初级绕组接TOP200Y的漏极。
由VDZ1和VD1构成的漏极箝位保护电路,将高频变压器漏感形成的尖峰电压限定在安全范围之内。
VDZ1采用BZY97C200型瞬态电压抑制器,其箝位电压UB=200V。
VD1选用UF4005型超快恢复二极管。
次级电压经过VD2、C2整流滤波后,再通过L1、C3滤波,获得＋7.5V输出。
VD2采用3A/70V的肖特基二极管。
反馈绕组的输出电压经过VD3、C4整流滤波后,得到反馈电压UFB=26V,给光敏三极管提供偏压。
C5为旁路电容,兼作频率补偿电容并决定自动重启频率。
R2为反馈绕组的假负载,空载时能限制反馈电压UFB不致升高。
该电源有两个控制环路。
电压控制环是由1N5234B型62V稳压管(VDZ2)和光耦合器PC817A(IC2)构成的。
其作用是当输出电流较小时令开关电源工作在恒压输出模式,此时VDZ2上有电流通过,输出电压由VDZ2的稳压值(UZ2)和光耦中led的正向压降(UF)所确定。
电流控制环则由晶体管VT1和VT2、电流检测电阻R3、光耦IC2、电阻R4～R7、电容C8构成。
其中,R3专用于检测输出电流值。
VT1采用2N4401型NPN 硅管,国产代用型号为3DK4C;VT2则选2N4403型PNP硅管,可用国产3DK9C代换。
R6、R5分别用于设定VT1、VT2的集电极电流值IC1、IC2。
R5还决定电流控制环的直流增益。
C8为频率补偿电容,防止环路产生自激振荡。
在刚通电或自动重新启动时,瞬态峰值电压可使VT1导通,利用R7对其发射结电流进行限制;R4的作用是将VT1的导通电流经VT2旁路掉,使之不通过R1。
电流控制环的启动过程如下：随着IO的增大,当IO 接近于1A时,UR3↑→VT1导通→UR6↑→VT2导通,由VT2的集电极给光耦提供电流,迫使UO↓。
由UO降低,VDZ2不能被反向击穿,其上也不再有电流通过,因此电压控制环开路,开关电源就自动转入恒流模式。
C7为安全电容,能滤除由初、次级耦合电容产生的共模干扰。
该电源既可工作在7.5V稳压输出状态,又能在1A的受控电流下工作。
当环境温度范围是0℃～50℃时,恒流输出的准确度约为±8％。
该电源的输出电压－输出电流(U0－I0)特性如图2所示。
由图可见,它具有以下显著特点：（1）当u=85VAC或265VAC时,特性曲线变化很小,这表明输出特性基本不受交流输入电压变化的影响;（2）当IO<0.90A时处于恒压区,IO≈0.98A时位于恒流区,且UO随着IO的略微增加而迅速降低;（3）当UO≤2V时,VT1和VT2已无法给光耦继续提供足够的工作电流,此时电流控制环不起作用,但初级电流仍受TOP200Y的最大极限电流ILIMIT(max)的限制。
这时,UR6↑,通过VT1和VT2使光耦工作电流迅速减小,强迫TOP200Y进入自动重新启动状态。
这表明,一旦电流控制环失控,立即从恒流模式转入自动重启状态,将IO拉下来,对芯片起保护作用。
2.恒压/恒流输出式开关电源的电路设计电压及电流控制环的单元电路如图3所示。
2.1 电压控制环的设计恒压源的输出电压由下式确定：UO=UZ2＋UF＋UR1=UZ2＋UF＋IR1·R1(1)式中,UZ2=6.2V,UF=1.2(典型值),需要确定的只是R1上的压降UR1。
令R1上的电流为IR1,VT2的集电极电流为IC2,光耦输入电流(即LED工作电流)为IF,显然IR1=IC2=IF,并且它们随u、IO和光耦的电流传输比CTR值而变化。
TOP200Y的控制端电流IC变化范围是2.5mA(对应于最大占空比Dmax)～6.5mA(对应于最小占空比Dmin),现取中间值IC=4.5mA。
因IC是从光敏三极管的发射极流入控制端的,故有关系式IR1=Ic/CTR (2)在IC和CTR值确定之后,很容易求出IR1。
单片开关电源须采用线性光耦合器,要求CTR=80％～160％,可取中间值120％。
将IC=4.5mA,CTR=120％代入式(2)得出,IR1=3.75mA。
令R1=39Ω时,UR1=0.146V。
最后代入式(1)计算出UO=UZ2＋UF＋UR1=6.2V＋1.2V＋0.146V=7.546V≈7.5V2.2 电流控制环的设计电流控制环由VT1、VT2、R1、R3～R7、C8和PC817A等构成。
下面需最终算出恒定输出电流IOH的期望值。
图3中,R7为VT1的基极偏置电阻,因基极电流很小,而R3上的电流很大,故可认为VT1的发射结压降UBEI全部降落在R3上。
则IOH=UBE1/R3 (3)利用下面二式可以估算出VT1、VT2的发射结压降：UBE1=(kT/q)·In(Ic1/Is) (4)UBE2=(kTq)·In(Ic2/Is) (5)式中,k为波尔兹曼常数,T为环境温度(用热力学温度表示),q是电子电量。
当TA=25℃时,T=298K,kT/q=0.0262V。
IC1、IC1分别为VT1、VT2的集电极电流。
IS为晶体管的反向饱和电流,对于小功率管,IS=4×10－14A。
因为前已求出IR1=IF=IC2=3.75mA,所以UBE2=(kT/q)In(Ic2/Is)=0.0262In(3.75mA/4×10 -14A)=0.662V又因IE2≈IC2,故UR5=IC2R5=3.75mA×100Ω=0.375V,由此推导出UR6=UR5＋UBE2=0.375V＋0662=1.037V。
取R6=220Ω时,IR6=IC1=UR6/R6=4.71mA。
下面就用此值来估算UBE1,进而确定电流检测电阻R3的阻值：UBE1=0.0262In(4.71mA/4×10 -14A)=0.668R3=IBE1/IOH=0.668V/1.0A=0.668Ω与之最接近的标称阻值为0.68Ω。
代入式(3)可求得IOH=0.668V/0.68Ω=0.982考虑到VT1的发射结电压UBE1的温度系数αT≈－21mV/℃,当环境温度升高25℃时,IOH值降为I＇OH=UBE1-‖αT‖·T/R3=0.668V-(2.1mV/℃)×25℃/0.68Ω=0.905A恒流准确度为γ=(I＇OH-IOH/IOH)·100%=(0.905-0.982/0.982）·100%=-7.8%≈-8%与设计指标相吻合。
3.反馈电源的设计反馈电源的设计主要包括两项内容：（１）在恒流模式下计算反馈绕组的匝数NB。
之所以按恒流模式计算NB值,是因为此时UO和UFB都迅速降低(UO=UOmin=2V),只有UFB足够高时,才能确保恒流源正常工作。
（２）在恒压模式下计算出反馈电压额定值UFB。
此时UO=7.5V,UFB也将达到最大值,由此求得UFB值,能为选择光耦合器的耐压值提供依据。
反馈电压UFB由下式确定：UFB=(Uo+UF2+IoR3)·NB/Ns-UF3 (6)式中,UF2和UF3分别为VD2、VD3的正向导通压降。
NS为次级匝数。
从式（6）可解出NB=(UFB+UF3/Uo+UF2+IoR3)·Ns (7)在恒流模式下当负载加重(即负载电阻减小)时,UO和UFB会自动降低,以维持恒流输出。
为使开关电源从恒流模式转换到自动重启状态时仍能给TOP200Y提供合适的偏压,要求UFB至少比恒流模式下控制电压的最大值UCmax高出3V。
这里假定UCmax=6V,故取UFB=9V。
将UFB=9V、UO=UCmin=2V、UF2=06V、UF3=1V、IO=IOH=0.982A、R3=0.68Ω、NS=12匝一并代入式(7),计算出NB=36.7匝≈37匝（取整）。
在恒压模式下,UO=7.5V,最大输出电流IO=0.95A,再代入式(6)求得,UFB=26V,此即反馈电压的额定值。
选择光耦合器时,光敏三极管的反向击穿电压必须大于此值,即U(BR)CEO>26V。
常用线性光耦的U(BR)CEO=30V～90V。
计算光敏三极管反向工作电压UIC2的公式为UIC2=UFB－UCmin (8)式中,UCmin为控制端电压的最小值(5.5V)。
不难算出,UIC2=20.5V。
这里采用PC817A型光耦合器,其U(BR)CEO=35V>20.5V,完全能满足要求。
但在设计高压电池充电器时,必须选择耐高压的光耦合器。