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隔離式5V/0.8A輸出精密開關(guān)電源電路原理圖

來源: 維庫電子網(wǎng)
2020-09-02
類別:電路圖
eye 53
文章創(chuàng)建人 拍明

原標題:隔離式5V/0.8A輸出精密開關(guān)電源電路原理圖

隔離式5V/0.8A精密開關(guān)電源是一種通過變壓器實現(xiàn)輸入輸出電氣隔離,同時提供穩(wěn)定5V/0.8A輸出的電源方案,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、通信設(shè)備等需要安全隔離和高精度供電的場景。以下從核心架構(gòu)、關(guān)鍵元件、工作邏輯及設(shè)計要點展開說明。

一、核心架構(gòu)與功能模塊

  1. 輸入整流濾波
    輸入交流電(如85-265V AC)經(jīng)橋式整流器(如GBPC3506)轉(zhuǎn)換為脈動直流,再通過電解電容(如100μF/400V)和陶瓷電容(如0.1μF/X7R)濾波,獲得平滑的直流電壓(約120V-375V DC)。

  2. 隔離變壓器
    采用高頻變壓器(如EE13磁芯)實現(xiàn)輸入輸出隔離,將高壓側(cè)(原邊)與低壓側(cè)(副邊)完全隔斷。原邊與副邊匝數(shù)比根據(jù)輸入電壓范圍和輸出5V需求設(shè)計(如原邊30T,副邊5T)。

  3. 原邊控制電路

    • PWM控制器:如UC3842,集成振蕩器、誤差放大器及MOSFET驅(qū)動,通過調(diào)節(jié)占空比控制能量傳遞。

    • 開關(guān)管:選用N溝道MOSFET(如IRF840),耐壓需高于輸入電壓峰值(如600V),電流能力大于峰值電流(如2A)。

    • 啟動電路:通過電阻(如1MΩ/2W)為PWM控制器供電,待輸出穩(wěn)定后由輔助繞組供電。

  4. 副邊整流濾波

    • 同步整流:采用低導(dǎo)通電阻MOSFET(如AO3400)替代傳統(tǒng)二極管,降低整流損耗(導(dǎo)通電阻<5mΩ)。

    • 輸出濾波:陶瓷電容(如10μF/X5R)與電解電容(如220μF/16V)并聯(lián),抑制紋波至<50mV。

  5. 反饋與保護

    • 光耦隔離反饋:通過光耦(如PC817)將副邊輸出電壓反饋至原邊PWM控制器,實現(xiàn)閉環(huán)控制。

    • 精密穩(wěn)壓:TL431精密參考源(2.5V)與光耦配合,確保輸出電壓精度±1%。

    • 保護功能:集成過壓保護(TVS二極管)、過流保護(原邊電流檢測電阻)、短路保護(PWM控制器限流功能)。

二、工作邏輯與信號流程

  1. 啟動階段
    輸入交流上電后,整流濾波電路輸出直流電壓,通過啟動電阻為PWM控制器供電,控制器開始振蕩并驅(qū)動MOSFET開關(guān)。

  2. 能量傳遞

    • MOSFET導(dǎo)通:原邊電流線性上升,變壓器儲能,副邊無電流(二極管反向截止)。

    • MOSFET關(guān)斷:變壓器原邊電流驟降,副邊感應(yīng)出高壓,通過同步整流MOSFET向輸出電容和負載供電。

  3. 閉環(huán)調(diào)節(jié)
    輸出電壓經(jīng)分壓電阻(如10kΩ+3.3kΩ)采樣,與TL431參考電壓比較后,通過光耦調(diào)整PWM占空比,維持輸出穩(wěn)定。

  4. 保護響應(yīng)

    • 過壓:副邊電壓超過閾值(如5.5V)時,TVS二極管導(dǎo)通,光耦反饋增強,PWM控制器降低占空比或關(guān)斷。

    • 過流:原邊電流檢測電阻(如0.1Ω)電壓超過閾值(如0.5V),PWM控制器觸發(fā)限流保護。

三、關(guān)鍵設(shè)計要點

  1. 變壓器設(shè)計

    • 磁芯選擇:根據(jù)功率(約4W)選用EE13或EI16磁芯,確保磁通密度<0.3T(避免飽和)。

    • 匝數(shù)比:原邊匝數(shù)需兼顧最低輸入電壓(如85V AC整流后約120V DC)和PWM控制器最小占空比(如10%)。

    • 絕緣處理:原邊與副邊繞組間加三層絕緣線或繞制隔離膠帶,耐壓需達4kV AC以上。

  2. 布局與布線

    • 高頻環(huán)路:原邊MOSFET、變壓器原邊繞組、電流檢測電阻構(gòu)成高頻電流環(huán)路,走線短且寬(≥20mil),減少輻射干擾。

    • 反饋路徑:光耦、TL431及分壓電阻需緊貼輸出端,避免長走線引入噪聲。

    • 接地處理:原邊地與副邊地單點連接(通過光耦隔離),防止地環(huán)路。

  3. 元件選型

    • 輸出電容:陶瓷電容需低ESR(如X7R材質(zhì)),電解電容需高紋波電流能力(如220μF/16V,紋波電流>300mA)。

    • 同步整流MOSFET:導(dǎo)通電阻<5mΩ,柵極電荷Qg<10nC,以減少開關(guān)損耗。

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四、典型應(yīng)用場景

  1. 醫(yī)療設(shè)備
    為隔離式傳感器或低功耗模塊供電,滿足60601-1醫(yī)療安全標準對漏電流(<100μA)的要求。

  2. 工業(yè)控制
    為PLC或HMI設(shè)備提供隔離5V電源,適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場電壓波動(85-265V AC)和電磁干擾。

  3. 通信設(shè)備
    為PoE供電模塊或光貓?zhí)峁└綦x輔助電源,確保設(shè)備間電氣隔離,提升系統(tǒng)可靠性。

五、總結(jié)

隔離式5V/0.8A精密開關(guān)電源通過高頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離,結(jié)合同步整流與精密反饋控制,兼顧效率(>85%)與精度(±1%)。設(shè)計需重點優(yōu)化變壓器參數(shù)、布局布線及保護機制

  • 變壓器:合理選擇磁芯與匝數(shù)比,確保隔離耐壓和能量傳遞效率。

  • 布局:高頻環(huán)路短且寬,反饋路徑低噪聲,接地單點連接。

  • 保護:集成OVP/OCP/短路保護,適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境。

該方案適用于對安全隔離和電壓精度要求嚴苛的場景,是工業(yè)、醫(yī)療及通信領(lǐng)域的主流選擇。


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