多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)及應(yīng)用原則

摘要：比較了諸多國(guó)內(nèi)外多路輸出電源的設(shè)計(jì)思想，提出并總結(jié)了現(xiàn)今多路輸出電源的設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；多路輸出；設(shè)計(jì)原則

1引言

對(duì)現(xiàn)代電子系統(tǒng)，即便是最簡(jiǎn)單的由單片機(jī)和單一I/O接口電路所組成的電子系統(tǒng)來(lái)講，其電源電壓一般也要由＋5V，±15V或±12V等多路組成，而對(duì)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)來(lái)講，實(shí)際用到的電源電壓就更多了。目前主要由下述諸多電壓組合而成：＋3.3V，＋5V，±15V，±12V，－5V，±9V，＋18V，＋24V、＋27V、±60V、＋135V、＋300V、－200V、＋600V、＋1800V、＋3000V、＋5000V（包括一個(gè)系統(tǒng)中需求多個(gè)上述相同電壓供電電源）等。不同的電子系統(tǒng)，不僅對(duì)上述各種電壓組合有嚴(yán)格的要求，而且對(duì)這些電源電壓的諸多電特性也有較嚴(yán)格的要求，如電壓精度，電壓的負(fù)載能力（輸出電流），電壓的紋波和噪聲，起動(dòng)延遲，上升時(shí)間，恢復(fù)時(shí)間，電壓過(guò)沖，斷電延遲時(shí)間，跨步負(fù)載響應(yīng)，跨步線性響應(yīng)，交叉調(diào)整率，交叉干擾等。

2多路輸出電源

對(duì)于電源應(yīng)用者來(lái)講，一般都希望其所選擇的電源產(chǎn)品為“傻瓜型”的，即所選擇的電源電壓只要負(fù)載不超過(guò)電源最大值，無(wú)論系統(tǒng)的各路負(fù)載特性如何變化，而各路電源電壓依然精確無(wú)誤。僅就這一點(diǎn)來(lái)講，目前絕大多數(shù)的多路輸出電源是不盡人意的。為了更進(jìn)一步說(shuō)明多路輸出電源的特性，首先從圖1所示多路輸出開關(guān)電源框圖講起。

從圖1可以看到，真正形成閉環(huán)控制的只有主電路Vp，其它Vaux1、Vaux2等輔電路都處在失控之中。從控制理論可知，只有Vp無(wú)論輸入、輸出如何變動(dòng)（包括電壓變動(dòng)，負(fù)載變動(dòng)等），在閉環(huán)的反饋控制作用下都能保證相當(dāng)高的精度（一般優(yōu)于0.5％），也就是說(shuō)Vp在很大程度上只取決于基準(zhǔn)電壓和采樣比例。對(duì)Vaux1，Vaux2而言，其精度主要依賴以下幾個(gè)方面：

1）T1主變器的匝比，這里主要取決于Np1：Np2或Np1：Np32）輔助電路的負(fù)載情況。

3）主電路的負(fù)載情況。

注：如果以上3點(diǎn)設(shè)定后，輸入電壓的變動(dòng)對(duì)輔電路的影響已經(jīng)很有限了。

圖1多路輸出開關(guān)電源框圖

圖3輔助電路加一個(gè)線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器

在以上3點(diǎn)中，作為一個(gè)具體的開關(guān)電源變換器，主變壓器匝比已經(jīng)設(shè)定，所以影響輔助電路輸出電壓精度最大的因素為主電路和輔電路的負(fù)載情況。在開關(guān)電源產(chǎn)品中，有專門的技術(shù)指標(biāo)說(shuō)明和規(guī)范電源的這一特性，即就是交叉負(fù)載調(diào)整率。為了更好地講述這一問(wèn)題，先將交叉負(fù)載調(diào)整率的測(cè)量和計(jì)算方法講述如下。

2?1電源變換器多路輸出交叉負(fù)載調(diào)整率測(cè)量與

計(jì)算步驟

1）測(cè)試儀表及設(shè)備連接如圖2所示。

2）調(diào)節(jié)被測(cè)電源變換器的輸入電壓為標(biāo)稱值，合上開關(guān)S1、S2…Sn，調(diào)節(jié)被測(cè)電源變換器各路輸出電流為額定值，測(cè)量第j路的輸出電壓Uj，用同樣的方法測(cè)量其它各路輸出電壓。

3）調(diào)節(jié)第j路以外的各路輸出負(fù)載電流為最小值，測(cè)量第j路的輸出電壓ULj。

4）按式（1）計(jì)算第j路的交叉負(fù)載調(diào)整率SIL。

SIL=×100％（1）

式中：ΔUj為當(dāng)其它各路負(fù)載電流為最小值時(shí)，Uj與該路輸出電壓ULj之差的絕對(duì)值；

Uj為各路輸出電流為額定值時(shí)，第j路的輸出電壓。

根據(jù)上面的測(cè)試及計(jì)算方法可以將交叉負(fù)載調(diào)整率理解為：所有其它輸出電路負(fù)載跨步變（100％－0％時(shí)）對(duì)該路輸出電壓精度影響的百分比。

2?2多路輸出開關(guān)電源

由圖1原理所構(gòu)成的實(shí)際開關(guān)電源，主控電路僅反饋主輸出電壓，其它輔助電路完全放開。此時(shí)假設(shè)主、輔電路的功率比為1：1。從實(shí)際測(cè)量得主電路交叉負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于0.2％，而輔電路的交叉負(fù)載調(diào)整率大于50％。無(wú)論開關(guān)電源設(shè)計(jì)者還是應(yīng)用者對(duì)大于50％的交叉負(fù)載調(diào)整率都將是不能接受的。如何降低輔電路交叉負(fù)載調(diào)整率，最直接的想法就是給輔助電路加一個(gè)線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器（包括三端穩(wěn)壓器，低壓差三端穩(wěn)壓器）如圖3所示。

從圖3可知，由于引入了線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器V，所以在輔路上附加了一部分功率損耗，功率損耗為P=(Vaux′－Vaux1)Iaux，而要使輔電路的交叉負(fù)載調(diào)整率小，就必須有意識(shí)地增大線性調(diào)整器的電壓差（Vaux′－Vaux1），即就是要有意識(shí)增大Vaux′，其帶來(lái)的缺點(diǎn)就是增加了電源的功率損耗，降低了電源的效率。

以圖1及圖3原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和應(yīng)用電源時(shí)，應(yīng)注意的原則為：

1）主電路實(shí)際使用的電流最小應(yīng)為最大滿輸出電流的30％；

2）主電路電壓精度應(yīng)優(yōu)于0.5％；

3）輔電路功率最好小于主電路功率的50％；

4）輔電路交叉負(fù)載調(diào)整率不大于10％。

2?3改進(jìn)型多路輸出開關(guān)電源

在很多應(yīng)用場(chǎng)合中，要求2路輸出的功率基本相當(dāng)，比如±12V/0?5A，±15V/1A。我們通過(guò)多年的實(shí)踐，設(shè)計(jì)了如圖4所示的電路，能較好地達(dá)到提高交叉負(fù)載調(diào)整率的目的。

圖4電路設(shè)計(jì)思想的核心有以下2點(diǎn)。

1）將正負(fù)2路輸出濾波電感L1、L2繞制在同一磁芯上，采用雙線并繞的方法，從而保證L1、L2電感量完全相同。并注意實(shí)際接入線路時(shí)的相位（差模方法）關(guān)系，這種濾波電感的連接方法使2路輸出電流的變化量相互感應(yīng)，在一定程度上較大地改善了2路輸出的交叉負(fù)載調(diào)整率。

2）從圖4可以看到，采樣比較器Rs1、Rs2不像圖1那樣接到主電路Vp上，而是直接跨接到正負(fù)電源的輸出端上，并且邏輯“地”不是電源的輸出地，而是以負(fù)電壓輸出端作為采樣比較和基準(zhǔn)電壓的邏輯“地”電位。這樣采樣誤差將同時(shí)反映出正、負(fù)2路輸出的電壓精度變化，對(duì)正、負(fù)2路同樣都存在有反饋?zhàn)饔?，能在很大程度上改進(jìn)2路輸出的交叉負(fù)載調(diào)整率。以±15V/1A電源為例，采用圖4的電路設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)得的2路交叉負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于2％。

圖2測(cè)試儀表及設(shè)備連接

圖4改進(jìn)型2路輸出電路

圖53路電源設(shè)計(jì)方案

以圖4原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和應(yīng)用電源時(shí)，應(yīng)注意的原則為：

1）2路最好為對(duì)稱輸出（功率對(duì)稱，電壓對(duì)稱），無(wú)明顯的主、輔電路之分，比如我們常用到的±12V，±15V等都屬于此類；

2）2路輸出電壓精度要求都不是太高，1％左右；

3）2路輸出交叉調(diào)整率要求相對(duì)較高，2％左右。

下面介紹一種通用性極強(qiáng)的3路電源設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。

從圖5可以看到，主＋5V輸出與輔路±Vout(可以是±15V或±12V)輸出電路不但反饋相互獨(dú)立，而且其PWM（脈寬調(diào)制器），功率變換和變壓器都是相互獨(dú)立的?？梢詫⒋?路電源看成是由相互獨(dú)立的1個(gè)＋5V電源和1個(gè)±Vout電源共同組合而成。為了進(jìn)一步減少二者之間的相互干擾和降低各自輸出電壓紋波的峰－峰值，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步減小各獨(dú)立電源的輸入反射紋波（一般紋波峰－峰值應(yīng)小于50mV，紋波有效值應(yīng)小于10mV）和采用同步工作方式。

2?4高頻磁放大器穩(wěn)壓器

在多路輸出電源中，輸出電路經(jīng)常采用高頻磁放大穩(wěn)壓器，它以低成本、高效率、高穩(wěn)壓精度和高可靠性，而在多路輸出的穩(wěn)壓電源中得到了廣泛應(yīng)用。

磁放大器能使開關(guān)電源得到精確的控制，從而提高了其穩(wěn)定性。磁放大器磁芯可以用坡莫合金，鐵氧體或非晶，納米晶（又稱超微晶）材料制作。非晶、納米晶軟磁材料因具有高磁導(dǎo)率，高矩形比和理想的高溫穩(wěn)定性，將其應(yīng)用于磁放大器中，能提供無(wú)與倫比的輸出調(diào)節(jié)精確性，并能取得更高的工作效率，因而倍受青睞。非晶、納米晶磁芯除上述特點(diǎn)外還具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1）飽和磁導(dǎo)率低；

2）矯頑力低；

3）復(fù)原電流?。?

4）磁芯損耗少；

磁放大輸出穩(wěn)壓器沒(méi)有采用晶閘管或半導(dǎo)體功率開關(guān)管等調(diào)壓器件，而是在整流管輸出端串聯(lián)了一個(gè)可飽和扼流圈（如圖6所示），所以它的損耗小。

由圖6可知，磁放大穩(wěn)壓器的關(guān)鍵是可控飽和電感Lsr和復(fù)位電路?？煽仫柡碗姼惺怯删哂芯匦蜝?H回線的磁芯及其上的繞組組成，該繞組兼起工作繞組和控制繞組的作用。復(fù)位（RESET）是指磁通到達(dá)飽和后的去磁過(guò)程，使磁通或磁密回到起始的工作點(diǎn)，稱為磁通復(fù)位。由于磁放大穩(wěn)壓器所用的磁芯材料的特點(diǎn)（良好的矩形B?H回線及高的磁導(dǎo)率），使得磁芯未飽和時(shí)的可控飽和電感對(duì)輸入脈沖呈現(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于開路，磁芯飽和時(shí)可控飽和電感的阻抗接近于0，相當(dāng)于短路。

目前開關(guān)電源工作頻率已提到幾百kHz以上，磁放大器在開關(guān)電源中的廣泛應(yīng)用對(duì)軟磁材料提出了更高的要求。在如此高的頻率下，坡莫合金由于電阻率太低（約60μΩ·cm）導(dǎo)致渦流損耗太大，造成溫升高，效率降低，采用超薄帶和極薄帶雖能有所改善，但成本將大幅度上升；鐵氧體具有很高的電阻率（大于105μΩ·cm），但其Bs過(guò)低，居里點(diǎn)也太低。由于工作環(huán)境惡劣，對(duì)材料的應(yīng)力敏感性、熱穩(wěn)定性等都有嚴(yán)格要求，上述材料是很難滿足要求的。

圖6磁放大輸出穩(wěn)壓電路

圖7輔路帶磁放大器的典型應(yīng)用電路

圖8完全利用磁放大器的穩(wěn)壓電路

非晶合金的出現(xiàn)大大豐富了軟磁材料。其中的鈷基非晶合金具有中等的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，超微合金具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，它們都具有極低的飽和磁致伸縮系數(shù)和磁晶各向異性。鈷基非晶和超微晶在保持高方形比的同時(shí)可以具有很低的高頻損耗，用于高頻磁放大器中，可大大提高電源效率，大幅度減小重量、體積，是理想的高頻磁放大器鐵芯材料。

3高頻磁放大輸出穩(wěn)壓器典型應(yīng)用電路

圖7所示的多路輸出電源，其主路為閉環(huán)反饋PWM控制方式，輔路為磁放大式穩(wěn)壓電源。由于輔路磁放大輸入電壓波形受控于變壓器主、輔繞組比，以及主路的工作狀態(tài)（主路輸出電壓的高低和主路負(fù)載的高低等），所以輔路的交叉負(fù)載調(diào)整率仍然不能夠達(dá)到理想的狀態(tài)。

圖8所示是一種完全利用磁放大器穩(wěn)壓技術(shù)設(shè)計(jì)的多路輸出穩(wěn)壓電源。此電源前級(jí)為雙變壓器自激功率變換電路，后級(jí)多路輸出均為磁放大器穩(wěn)壓電路。并且各路之間無(wú)關(guān)，前后級(jí)之間無(wú)反饋，無(wú)脈寬調(diào)制器（PWM）。

此電路的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用元器件數(shù)量少，除了兩只功率管以外，其它元器件均是永久性或半永久性的，可靠性極高，制作也很方便；

2）電路中沒(méi)有隔離反饋放大器，因此調(diào)整極其容易，而且一旦調(diào)整好后就無(wú)須維護(hù)，前級(jí)變換功率取決于后級(jí)總輸出功率；

3）各路的輸出特性相互獨(dú)立，獨(dú)自調(diào)整穩(wěn)壓，無(wú)主、輔路之分，所以，各輸出電路的負(fù)載調(diào)整率的交叉負(fù)載調(diào)整率都非常理想，小于0?5％；

4）磁放大器在功率開通瞬間，處于“開路”狀態(tài)，功率管在此刻的導(dǎo)通電流趨近于零，因而，損耗減到了最低限度，這有利于變換器的高頻化和高效率；

5）由于前級(jí)功率變換器為不調(diào)寬的純正方波，以及后級(jí)接了磁放大器，這樣可以大幅度地降低輸出紋波的峰－峰值，普通PWM型電源的輸出紋波大約為輸出電壓標(biāo)稱值的1％左右，而采取帶磁放大器的整流電路，紋波的峰－峰值可比較容易地降低到0.1％左右。

上述磁放大型穩(wěn)壓電源的綜合電特性都是其它PWM隔離負(fù)反饋多路電源所無(wú)法比似的。尤其對(duì)多路電源實(shí)際應(yīng)用來(lái)講，可以對(duì)電源內(nèi)部特性和電子系統(tǒng)的負(fù)載特性不予考慮，拿來(lái)就能使用，用上就無(wú)問(wèn)題。但是，現(xiàn)代磁放大型穩(wěn)壓電源還存在如下一些問(wèn)題，有待解決。

1）電路形式需進(jìn)一步完善（尤其是電源前級(jí)功率變換電路），應(yīng)加入過(guò)、欠壓保護(hù)，過(guò)流、短路保護(hù)，電源使能端。

2）進(jìn)一步提高工作頻率，以便減小體積。

3）進(jìn)一步提高效率，減小磁損。

4結(jié)語(yǔ)

綜合上述，對(duì)多路電源應(yīng)用者而言，可以根據(jù)電子系統(tǒng)用電情況，更切實(shí)際地提出所用電源的特性參數(shù)。對(duì)多路電源設(shè)計(jì)者而言，可以更多更系統(tǒng)地了解現(xiàn)今多路電源設(shè)計(jì)方法，減少新產(chǎn)品的開發(fā)周期，做到事半功倍。