基于LD7550B的反激變換器設計

王國昌， 崔 雷

(中航工業(yè)洛陽電光設備研究所，河南洛陽 471009)

0 引言

單端反激變換器常常用于輸出功率不超過100 W的電子設備，雖然這類開關電源的電路形式有所不同，但是電路的基本結(jié)構(gòu)和原理是一樣的。LD7550B是一種低功耗、低啟動電流、綠色節(jié)能模式的PWM控制器，芯片內(nèi)部集成了內(nèi)部斜坡補償、電流檢測前端峰值屏蔽等功能，它所需要的外部元件非常少。

1 LD7550B基本特征

LD7550B為使用電設備達到節(jié)省能源的要求，內(nèi)部集成了很多功能，減少了外部元件的數(shù)量和尺寸。芯片內(nèi)部由震蕩電路、綠色模式晶振電路、電流檢測前端干擾峰值屏蔽電路、PWM比較器、過壓保護電路、內(nèi)部參考電壓、斜坡補償電路等組成。圖1為LD7550B的管腳圖。其中，1腳接地，2腳接補償電路，3腳是工作頻率設定管腳，4腳是電流檢測的輸入管腳，5腳接電源，6腳是MOSFET管的驅(qū)動輸出。

圖1 LD7550B管腳圖Fig.1 LD7550B pin configuration

LD7550B包含一個低壓鎖定輸出電路(UVLO)，芯片內(nèi)部集成了一個電壓比較器，當VCC管腳上的電壓低于輸出關閉門限時，芯片PWM波輸出關閉，打開和關斷的門限值為16 V和10 V。LD7550B的啟動電流非常低，最大的啟動電流值為20 μA。LD7550B的啟動電流靠一個電阻來設定。LD7550B的工作頻率推薦為 50 kHz到130 kHz，F(xiàn)sw=65.0/RT·100 kHz。RT是頻率設定電阻，單位是kΩ，為了降低變壓器的尺寸，把這個電阻設定為47 kΩ，頻率計算為138 kHz，稍大于推薦頻率。

由于現(xiàn)代的功率MOS管Vgs的最大耐壓值為30 V，為了限制Vgs不超過這個極限值，LD7550B在VCC管腳上集成了過壓保護功能，當VCC上的電壓超過極限值時，LD7550B芯片把MOS管驅(qū)動關閉。LD7550B還集成了一些故障保護功能如RT管腳與地短接，RT管腳浮空，CS管腳浮空。圖2為LD7550B典型應用圖。

圖2 LD7550B典型應用圖Fig.2 LD7550B typical operating circuit

2 基于LD7550B的開關電源設計

采用LD7550B設計了一種直流24 V輸入，+12 V輸出，功率為10 W的反激變換器。用LD7550B設計開關電源時功率限制主要由該芯片的MOSFET管的驅(qū)動能力來確定。一般情況下，在電壓一定時，MOSFET管可承受的額定電流越大，那么輸入電容就越大，所需要的驅(qū)動電流就越大。它最大能輸出300 mA的驅(qū)動電流，相對其他的PWM芯片這個值不是很大，當然可以采用一些措施來放大這個驅(qū)動電流，但是這樣就增加了電路的復雜性。

2.1 變壓器的設計

變壓器的設計在反激變換器中是非常重要的，為了提高設計速度，可以使用MATHCAD軟件，把一些主要的計算公式編寫成文件，下次條件改變時，只需要把那些更改的參數(shù)進行改變，然后MATHCAD軟件自動計算結(jié)果，非常方便。

變壓器設計的大概步驟如下。

1)設定變換器的工作頻率值，這里為138 kHz，最大和最小輸入電壓為已知，輸出功率和輸出電壓為已知條件。還要設定MOS所承受的最大峰值電壓Vms，根據(jù)以上條件設定變壓器的變比n，將這個變比n圓整為2。

式中:Vinmax為最大輸入電壓;Vo為輸出標稱電壓。

2)圓整變比后再校驗MOS的最大峰值電壓Vms，這個峰值電壓可以使我們比較方便地選擇耐壓為100 V的MOS管。

3)設定工作時的磁感應強度，工作磁感應強度與材料、工作方式、工作頻率等都有關系，把這個參數(shù)設定為0.22T。所用的磁芯設定為 EFD15，磁芯Ae=15 mm2。

4)計算最大占空比D。

其中:Ton為MOS管的打開時間;Vinmin為輸入最小電壓值;T為工作周期。

5)計算原邊電感Lp和原邊峰值Ip電流。

式中:Wout為最大輸出功率。

6)計算原邊平均電流Iprms和副邊平均電流Isrms。

7)計算氣隙值lg和原邊匝數(shù)Np和副邊匝數(shù)Ns。

式中:B為最大工作磁感應度;Ae為選定磁芯的截面積。

8)計算趨附膚深度，電流密度設定為5 A/mm2。

式中:f為工作頻率。

9)原邊線徑Dp和副邊線徑Ds。

式中:J為設定的電源密度值。

10)計算以圓密爾為單位的等效氣隙Lgs，計算結(jié)果為 6.7 mil。

11)計算邊緣磁通系數(shù)F。

式中:G為繞組長度，單位為cm。

12)計算原邊電阻Rp。

其中:LMT為平均匝長，單位為cm。

13)計算原邊銅損Pp。

14)計算副邊電阻Rs。

15)計算副邊銅損Ps。

16)計算總銅損Pcu。

17)計算交流(AC)磁通密度。

其中:LMP為磁路長度，單位為cm。

18)單位質(zhì)量消耗的功率計算結(jié)果為43.9 W/kg。

19)計算磁芯損失PFe。

20)計算總損耗PΣ。

21)計算表面積功率損耗密度Ψ。

22)計算溫升Tr。

變壓器設計好后，還要設計繞線的方式。為了減少變壓器的漏感，可以采用夾層繞法，即把原邊繞組分成兩部分，把次級繞組夾在中間，為了進一步減少漏感，還可以把原邊繞組分成3部分，副邊繞組分成兩部分，原邊繞組和副邊繞組交錯繞制，原副邊之間不加絕緣層。當然如果是較高電壓輸入如200 V以上時，上面的夾層繞法由于牽涉到絕緣及擊穿的問題一般就不能采用了。

2.2 MOSFET 管的選擇

開關電源中用的MOSFET管是工作在開關狀態(tài)的，放大狀態(tài)只是它的過渡狀態(tài)，要求時間盡量短，一般MOSFET的開通門檻在3～5 V之間，而LD7550B的驅(qū)動電壓在8 V以上，注意MOSFET管的G，S之間有一個電容，所以開通時，要把這個電容充起來;關斷時，要把這個電容的電釋放掉。在剛開通瞬間，充電電流最大。在MOSFET管的結(jié)構(gòu)中可以看到:在GS、GD之間存在寄生電容，而MOSFET管的驅(qū)動實際上就是對電容的充放電。

對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。這個電流按照LD7550B的資料最大是300 mA，電流越大MOSFET管開通越快。這個電流值實際上是不高的，而且在開關電源中對于MOSFET管的另一個要求是MOSFET管的導通電阻，對于這個電阻當然是越小越好，不過導通電阻小的MOSFET管通常GS寄生電容較大，由于LD7550B的驅(qū)動電流有限，驅(qū)動這種GS寄生電容較大的MOSFET管時，電容充電時間比較長，因此為了提高效率，選擇MOSFET管時GS寄生電容也是一個重要的參數(shù)。

2.3 原理圖設計

原理圖設計主要參考LD7550B資料上的參考設計，對一些電阻和電容等參數(shù)作了調(diào)整。

圖3 10 W開關電源原理圖設計Fig.3 Design of a 10 W switch power supply

2.4 開關電源PCB設計

開關電源的PCB設計對于電源設計來說是至關重要的。如果PCB設計沒有設計好，就會出現(xiàn)電源的PWM波形不穩(wěn)定、帶載能力達不到設計要求、輸出紋波大、負載調(diào)整率不好等問題。尤其對于PWM頻率超過300 kHz時，PCB設計的質(zhì)量更是關鍵。開關電源布線方面的資料比較少，在開關電源的調(diào)試過程中，對于PCB的關鍵方面做一個總結(jié):

1)不論正激變換器還是反激變換器，變壓器的副邊的一端總是接到輸出地的，這時設計者要盡量縮短變壓器副邊一端到輸出地端子的距離，最好布成大面積的地平面;

2)開關電源的輸入端的MOSFET管的S極接地線盡可能短;

3)輸入端的MOSFET管和輸出的整流二極管的布局應盡可能地使電流流向平直，中間盡量不打折;

4)如果是雙面板，一面走功率線，另外一面走弱信號線;

5)變壓器的放置面與走功率線的面保持一致。

3 開關電源的試驗波形

直流18 V滿載時的Vds及原邊峰值電流波形如圖4所示。

由圖4可以看出在低壓滿載條件下，變換器已經(jīng)進入了連續(xù)狀態(tài)。上面的波形是測量的MOSFET管的Vds波形，其中波形上升沿的小的尖峰是有變壓器的漏感引起的。后面那個臺階是輸入電壓加上反射電壓形成的。下面的波形是原邊變壓器的電流波形。直流33 V輸入滿載條件下的波形如圖5所示。

圖4 低輸入滿載時進入連續(xù)狀態(tài)的波形Fig.4 The low import，full charge wave form in continuous state

圖5 高輸入滿載斷續(xù)狀態(tài)的波形Fig.5 The top import，full charge wave form in noncontinuous state

從上面波形可以看出此時變換器還處于斷續(xù)狀態(tài)。上面波形震蕩部分的平均值就是輸入電壓。Vds電壓上只要出現(xiàn)了輸入電壓的部分，就說明變換器處于斷續(xù)狀態(tài)，而連續(xù)狀態(tài)時只有漏感尖峰部分和輸入電壓加上反射電壓部分，而不會出現(xiàn)輸入電壓部分。下面的波形還是原邊變壓器的電流波形。

4 結(jié)論

使用LD7550B芯片來作為反激變換器的PWM控制器具有很多的優(yōu)點，如外圍元器件比較少、工作頻率可調(diào)等。經(jīng)過實際測量:設計的反激變換器效率為83%，在－55℃ ～+60℃范圍內(nèi)，輸出紋波不超過30 mV，達到了原定的設計要求。通過使用MATHCAD數(shù)學軟件在變壓器設計中可以非常方便快速地得到想要的結(jié)果。

［1］ 曲學基，王增福，曲敬銑，等.新編高頻開關穩(wěn)壓電源［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［2］ LD7550B datasheet.Lead Trand 公司［Z］.2005.

［3］ LD7550B Evaluation Board － 10 W(5V/2A)Adapter［Z］.Lead Trand 公司，2005，1.

［4］ 王水平，付敏江.開關穩(wěn)壓電源－原理設計與實用電路［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1995.

［5］ 趙修科.開關電源中磁性元器件［M］.南京:南京航空航天大學，2004.

［6］ 麥克萊曼.變壓器與電感器設計手冊［M］.龔紹文，譯.北京:中國電力出版社，2009.

［7］ BILLINGS K.開關電源手冊［M］.張占松，譯.北京:人民郵電出版社，2006.

［8］ 普萊斯曼.開關電源設計［M］.王志強，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［9］ 陳永真.反激式開關電源的軟開關技術步入實用化［J］.世界電子元器件，2002(1):28-29.

［10］ 羊彥，金雍，謝鉑云，等.單端式開關電源變壓器設計方法［J］.電工技術，2003(11):2-4.

［11］ 艾學忠，翟玉文，楊肅.單端反激式開關電源變壓器簡化設計方法［J］.電子測量技術，2002(4):20-21.