反激開關(guān)電源負(fù)載調(diào)整率的控制研究

吳 航，石航飛，孫紅斌，郭 麗，張 森

( 中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所 數(shù)控事業(yè)部，四川 綿陽(yáng) 621000)

開關(guān)電源以其體積小、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種電子電氣設(shè)備中，開關(guān)電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，現(xiàn)在開關(guān)頻率高達(dá)132KHz，開關(guān)電源由于具強(qiáng)大的過載能及較寬的輸入電壓、輸出電壓穩(wěn)定，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門以及軍工、航天、航空等科技領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，多路輸出開關(guān)電源可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)主控電路輸出幾組不同電壓，可以達(dá)到節(jié)約成本，降低電路體積。然而在多路不共地輸出情況下。由于實(shí)際變壓器漏感無法消除、主輸出電壓由于是閉環(huán)控制，可以得到理想電壓精度，輔助輸出電壓由于是半閉環(huán)控制，輸出電壓隨著負(fù)載變化而變化，即負(fù)載調(diào)整率。這樣影響多組輸出開關(guān)電源在生產(chǎn)中的使用。通常改善負(fù)載調(diào)整率是通過將輔助繞組輸出電壓偏高，再加一個(gè)線性穩(wěn)壓芯片來達(dá)到需要輸出電壓。但是這種方法將使成本變高。輸出功率受到限制。因此筆者通過分析影響負(fù)載調(diào)整率的原因，提出一種通過增加副邊小電感方法來改善負(fù)載調(diào)整率，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該方法能有效改善負(fù)載調(diào)整率。

1 反激開關(guān)電源變壓器原理分析

1.1 反激開關(guān)電源變壓器模型

反激開關(guān)電源中的變壓器實(shí)質(zhì)上是一大電感，它在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在關(guān)斷時(shí)將儲(chǔ)存在初級(jí)線圈能量釋放到次級(jí)線圈中。由于反激變換器變壓器綜合了許多功能( 存儲(chǔ)能量、電氣隔離、限流電感) ，同時(shí)還有承受相當(dāng)大的直流分量，故比直接地傳遞能量的正激推挽變壓器設(shè)計(jì)困難得多。由于磁場(chǎng)邊沿效應(yīng)及變壓器生產(chǎn)的工藝及為防止反激變壓器進(jìn)入飽和而引入氣隙決定現(xiàn)實(shí)中用到的變壓器不能做到跟理想的一樣，會(huì)存在漏感。工藝一般可以控制在次級(jí)電感量5%左右，而在開關(guān)電源中變壓器漏感是有害的，可能導(dǎo)致開關(guān)管被擊穿導(dǎo)致電源失效。而在多路不共地輸出反激電源中，次級(jí)輸出繞組的漏感還會(huì)導(dǎo)致電源負(fù)載調(diào)整率差，導(dǎo)致電源無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于在開關(guān)管開通期間，初級(jí)電流不斷的上升，在開通時(shí)間結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值Ip。這個(gè)電流在開關(guān)管斷開的瞬間，會(huì)被傳遞到副邊。理解交叉調(diào)整率非常重要的一點(diǎn)是，傳遞到副邊的電流是如何被副邊的多路輸出所分配的。本文會(huì)推導(dǎo)出剛開始傳遞到次級(jí)電流的大部分傳遞到漏感最小的那一路輸出，如果這一路沒有用做開關(guān)管PWM 的反饋控制，那么它的峰值就會(huì)很高。相反，如果這一路用于開關(guān)管PWM 的反饋控制，那么其他路的輸出就會(huì)受到降低。

圖1 反激變壓器模型結(jié)構(gòu)

假設(shè)以兩組輸出變壓器來討論，反激變壓器模型結(jié)構(gòu)如圖1，其中，1、3 引腳表示初級(jí)端，L1表示初級(jí)電感，L4表示初級(jí)端漏感量，NP 表示初級(jí)線圈匝數(shù);7、8 引腳表示輸出繞組1，L2表示繞組1 的漏感量，NS1表示輸出繞組1 的匝數(shù);9、10 引腳表示輸出繞組2，L3表示繞組2 的漏感量，NS2表示輸出繞組2 的匝數(shù)?？梢杂肔2表示L3:

其中，N 為參變量，N 為實(shí)數(shù)。

假設(shè)在兩個(gè)輸出整流二極管上壓降相同，即:Vd1=Vd2=Vd，那么，在漏感兩端產(chǎn)生的壓降相同則:

式(2) 中，Vo表示主輸出漏感兩端電壓，Vs表示理想次級(jí)變壓器輸出電壓，Vo1為主輸出電壓，Vd為輸出整流二極管正向壓降。那么，只要主開關(guān)管一關(guān)斷，電流就會(huì)按在法拉第電磁感應(yīng)定律變化。

式(3) 中i2為繞組2 的電流。由(3) 可知，輸出電壓V0 是時(shí)間函數(shù)，但在實(shí)際中，由于輸出電壓波動(dòng)很小，可以將輸出電壓假設(shè)與時(shí)間無關(guān)，即為常數(shù)。由式(3) 可得:

由于L3、NS2、NS1是與時(shí)間無關(guān)量，式(4) 可得:

那么，

這將導(dǎo)致輸出輔助繞組電壓比設(shè)計(jì)的電壓高出很多，當(dāng)主輸出的電流達(dá)到設(shè)計(jì)或使用電流時(shí)。反饋信號(hào)保持控制芯片占空比不變。然而，此時(shí)輔助繞組的電壓由于沒有參見反饋?zhàn)饔?，同時(shí)由于各繞組的漏感與輸出電壓不是成比例，導(dǎo)致輔助繞組輸出電壓高于設(shè)計(jì)電壓。

從上面的分析可以知道，輔助輸出電壓與繞組的漏感與主輸出漏感的比值有關(guān)。

然而由于反激開關(guān)電源變壓器有氣隙、磁路邊緣效應(yīng)、生產(chǎn)工藝、導(dǎo)致生產(chǎn)的變壓器漏感差距較大，設(shè)計(jì)相同的變壓器參數(shù)，使用漏感較低的三明治繞法。在使用不同的繞線工藝，漏感大小也不一樣。這樣很難生產(chǎn)出次級(jí)漏感Vo1/Vo2=L1/L2的變壓器。

通過上面的數(shù)學(xué)分析與推導(dǎo)，可以知道，交叉調(diào)整率與輸出繞組間的漏感的比值有關(guān)。而與具體漏感量沒有關(guān)系。

1.2 改善方法

通過上面的理論分析，可以通過認(rèn)為的改變

那么將不會(huì)出現(xiàn)輔助輸出繞組電壓偏離設(shè)計(jì)值。

式(3) 中，需要知道變壓器次級(jí)的漏感量，然而由于每個(gè)變壓器的漏感量不同，會(huì)給生產(chǎn)帶來極大的不方便及困難，然而反激式變壓器次級(jí)繞組漏感一般要求很小，所以可以選擇比L1?L4、L2?L5，即L1+L4≈L4，L2+ L5≈L5，那么上式可以簡(jiǎn)化為:

從式(9) 中可以看出關(guān)系式中沒有反激變壓器次級(jí)輸出繞組的漏感量，而只有人為串聯(lián)的電感L4、L5，這樣就可以不用測(cè)量反激變壓器次級(jí)漏感，只需要保證認(rèn)為串聯(lián)電感比值等于要求輸出電壓比值即可，給生產(chǎn)、設(shè)計(jì)帶量極大方便。

2 硬件組成及實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用PI 公司的TOPSwitch-HX 系列的控制芯片來實(shí)現(xiàn)本論文提出的觀點(diǎn)。

TOPSwitch-HX 系列是高度集成化的電源控制芯片，內(nèi)集成有過壓、短路、欠壓、過熱保護(hù)，同時(shí)集成耐壓720 V 的開關(guān)管。具有電路簡(jiǎn)單、低成本的優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)計(jì)為兩路不共地輸出，主輸出電壓為5.2 V/3 A ，副輸出電壓設(shè)計(jì)值為15 V/1 A，變壓器采用EER28L 磁芯。變壓器電特性原理圖如圖2 所示。

圖2 變壓器電氣圖

測(cè)試初級(jí)電感量:432 uH，初級(jí)漏感量;20 uH，5.2 V 輸出繞組漏感量:0.05 uH，15 V 輸出繞組漏感量:0.1 uH，從上面參數(shù)計(jì)算:選擇L4=1 uH，那么，L5=8 uH。設(shè)計(jì)電路圖原理圖及電路板圖分別為圖3、圖4。

設(shè)計(jì)電路圖如下:

圖3 電路原理圖

圖4 電路板圖

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 ～4。

表1 使用電子負(fù)載( 安捷倫6063B)測(cè)試的數(shù)據(jù)表格

表2 使用電子負(fù)載測(cè)試的數(shù)據(jù)表格

當(dāng)采用本文提出的在次級(jí)輸出濾波前加一個(gè)小電感方法時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)如下:

表3 使用電子負(fù)載測(cè)試的數(shù)據(jù)表格

表4 使用電子負(fù)載測(cè)試的數(shù)據(jù)表格

3 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，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。

［1］張占山，汪仁煌，謝莉萍，譯.開關(guān)電源手冊(cè)［M］.2 版.北京:人民郵電出版社，2006.

［2］張占山，蔡宣三.開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［3］Kckermann W.On Semiconductor.Switch Mode Power Supplies Reference Manual and Design Guide［J］.1999.

［4］葉慧頁(yè). 開關(guān)穩(wěn)壓電源［M］. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［5］史平君.實(shí)用電源技術(shù)手冊(cè)( 電源元器件分冊(cè)) ［K］.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.