基于施密特触发器的新型开关电源电路

周铁戈

相对于传统的线性电源，开关电源具有效率高的优点，但是电路较为复杂，需要振荡电路和脉冲宽度调制电路等。本文介绍一种利用施密特触发器的新型开关电源电路，电路在连续电源电路的基础上改进得到，不需要振荡电路和脉冲宽度调制电路，直接利用连续反馈信号作为施密特触发器的输入，施密特触发器输出控制开关管的导通和截止。

图1给出的是连续型电源的原理图，它基本的工作原理是负反馈。当输出电压高于设定值时，运算放大器A的输出端电压下降，Q的发射极电压下降，从而使输出下降。如果输出电压低于设定值时，过程正好相反，从而实现稳压。

图1 连续型稳压电源电路原理图

我们在连续型稳压电路上增加4个元件，设计了新型开关电源电路，如图2所示。图中增加的元件包括一个电感L、一个二极管D、一个电容C和一个施密特触发器T，其中电感L、二极管D和电容C是普通开关电源所必须的基本元件，其功能与普通开关电源中的功能相同。施密特触发器T是我们设计的新型开关电源的核心控制元件，它能够把连续的反馈信号变成开关信号，控制Q的导通和截止，从而实现开关电源的功能。电路的基本原理和连续型一致，只是由于施密特触发器的存在，Q不是工作在连续状态，而是工作在开关状态。

图2 新型开关电源电路原理图

图3给出的是实际电路图，输入电压为15V，输出电压为5V，负载电流为2A。图中运算放大器U1B与电阻R5、R6、R9构成施密特触发器。图3中U1A为同相放大器，而U1B构成的是反相输出型施密特触发器，这与图2略有不同，图2中A是反相放大器，而T是同相输出型施密特触发器。

图3 新型开关电源的实际电路

图4给出的是仿真结果，蓝色是输出电压波形，红色是开关管的电流波形。开关管的工作频率约为1.8kHz，开关管的最大电流约为6.2A。输出电压的波动幅度很大，约2.4V。为了降低输出电压的波动，我们改变L1和C1的参数进行了研究。

图4 新型开关电源实际电路的仿真结果 （L1=220u，C1=220u）  

图5给出的是L1=470u而 C1=220u时的仿真结果，频率约为1.4kHz，开关管最大电流约为5A，输出电压波动幅度约为2.3V。可以看出增加电感L1会降低频率，降低开关管的最大电流，但是对降低输出电压的波动没有帮助。

图5 修改电感L1后的结果（L1=470u，C1=220u）

图6给出的是L1=220u而C1=470u时的结果，频率约为1.45kHz，开关管最大电流约为6.7A，输出电压波动约为1.5V。可以看出增加电容C1能够明显降低输出电压的波动。

图6 修改电容后的结果（L1=220u C1=470u）

为了降低输出电压的波动，图7给出了改进后的电路，电路增加了一个小电阻R10（0.05欧姆），并增大了C1（增大到10000uF）。图8给出了仿真结果，频率约为3kHz，开关管最大电流约为4.2A，输出电压波动仅为20mV。对功率的分析表明，电源V1输出功率约为16W，负载R1吸收功率约为9.5W，开关管吸收功率约为5W，二极管吸收功率约为1W，可见效率不高，约为60%。

图7 改进后的电路

图8 改进电路的仿真结果

为了提高效率，我们又给出了图9所示的电路，电路采用PNP型三极管作为开关管，降低了导通时的电压，从而降低了开关消耗的功率。输入电压为24V，输出电压为12V，负载电流为1A，这时电源V1的输出功率为13.7W，负载电阻R1吸收功率为11.6W，效率约为85%。开关频率1.35kHz，开关管最大电流约4.4A，一个周期内开关管导通时间为0.18ms。

图9 第二次改进后的电路

图10 第二次改进电路仿真结果（负载电流1A，输入电压24V）

我们又改变负载电流和输入电压对图9所示电路进行了仿真，图11和图12给出了结果。图11给出的是输出电压为24V，负载电流为3A时的结果，频率约为1.65kHz，最大电流6.9A，负载电流增加时频率增加，一个周期内导通时间占比也增加，最大电流也增加。开关管的导通时间约为0.28ms，同样增加。图12给出的是增加输入电压（36V）负载电流为1A时的结果，频率约为0.57kHz ，最大电流7.94A，导通时间0.17ms 。可以看出增加输入电压，工作频率降低，一个周期内导通占比也减小，开关管最大电流增加。当输入36V时，电压差比较大，应该增加L1的值，可以降低最大电流。仿真结果表明，增加电感为1000uH时，频率为0.6kHz，最大电流为5.3A，导通时间为0.23ms。

图11 负载电流为3A输入电压为24V的结果

图12 负载电流为1A输入电压为36V的结果

这是我们首次提出的新型开关电源电路，电路基于完全不同的工作原理，对于电路的理论分析、性能改进以及实际应用中的若干问题还有待深入。