反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

黃永軍，岳 舟，謝四蓮

(湖南人文科技學(xué)院通信與控制工程系，湖南婁底417000)

在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，人們?cè)诠ぷ骱蜕钪胁豢扇鄙俚碾娮釉O(shè)備也不斷被推向市場(chǎng)，而電子設(shè)備又離不開電源。電源供給電子設(shè)備運(yùn)作所需的能量，這就決定了電源在電子設(shè)備中的重要性。電源的質(zhì)量直接影響著電子設(shè)備的工作可靠性，所以電子設(shè)備對(duì)電源的要求日益提高。在提倡節(jié)能的社會(huì)，電源的效率是重中之重。而開關(guān)電源是現(xiàn)代電力電子技術(shù)中常見的一種技術(shù)，它是一種通過控制開關(guān)晶體管導(dǎo)通的占空比來維持穩(wěn)定輸出的電源。和線性電源相比，開關(guān)電源具有生產(chǎn)成本低，體積小，重量輕，電源輸出組數(shù)多，極性可變，效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源通常是由開關(guān)晶體管(MOS、IGBT等)和脈寬調(diào)制(PWM)IC 構(gòu)成[1]。

隨著不可再生能源日益減少，節(jié)能是一個(gè)迫在眉睫的問題。而開關(guān)電源的效率比傳統(tǒng)的線性電源高很多。致力于開關(guān)電源的研究，提高開關(guān)電源的效率可以提高能源的利用率，更能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。當(dāng)今社會(huì)電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著很大的發(fā)展平臺(tái)。便攜設(shè)備不斷的推出，使得開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著巨大的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)。走技術(shù)創(chuàng)新之路，提高電源的使用效率，加快我國(guó)開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，研發(fā)出高效率的電源并推向市場(chǎng)能為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。本文設(shè)計(jì)了采用TOP258YN(TopStitch-HX系列的一種芯片)控制的單端反激式開關(guān)電源，輸出電壓是24V(小于36V)，電壓調(diào)整率小于1%，當(dāng)該電源工作在220V交流時(shí)的輸出效率可達(dá)87%以上。

一 單端反激式開關(guān)電源工作原理

單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用電路如圖1所示。在單端反激式開關(guān)電源中高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)這就是指單端。電路中的反激是指當(dāng)開關(guān)管(VT1)導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器(T)初級(jí)繞組中的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管(VD2)處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)初級(jí)繞組處于儲(chǔ)存能量狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管(VT1)截止?fàn)顟B(tài)，變壓器(T)初級(jí)繞組存儲(chǔ)的能量，經(jīng)過次級(jí)繞組及整流二極管(VD2)整流和電容(C)的濾波后向負(fù)載輸出。故變壓器在開關(guān)工作過程中，既能隔離變壓，又可做為電感儲(chǔ)存能量。因此單端反激式變換器又稱為“電感儲(chǔ)能式變換器”[2]。

單端反激式開關(guān)電源生產(chǎn)成本低，輸出功率為20-100W，可以多組電壓輸出，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的外特性差，紋波電壓較大，一般只用于負(fù)載相對(duì)固定的系統(tǒng)。工作頻率在 20-200kHz之間[2]。

圖1 單端反激式電源

在VT1導(dǎo)通期間輸入直流電壓 UIN加在原邊繞組LP兩端，提高了原邊線圈中的電流線性:Ip=(E/LP)×t。當(dāng)VT1截止時(shí)，原邊電流幅值為(忽略VT1的飽和壓降):

副邊繞組的電壓為:

在開關(guān)管VT1結(jié)束導(dǎo)通時(shí)，其集電極的電位變?yōu)楦唠娖?，原邊繞組沒有電流，副邊繞組的感應(yīng)電壓極性反向，此時(shí) VD2導(dǎo)通，Is向電容充電，變壓器開始釋放儲(chǔ)能，副邊電流下降，經(jīng)變壓器耦合并反射回原邊，形成一個(gè)上負(fù)下正的反射電壓:

當(dāng)開關(guān)管(VT1)從導(dǎo)通變成截止時(shí)，原邊繞組變?yōu)榱汶娏?，高頻變壓器傳遞能量轉(zhuǎn)到副邊，整流二極管(VD2)導(dǎo)通，副邊繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流。

根據(jù)能量守恒定律，則變壓器的原副兩邊能量滿足:

式(4)中，IP2是開關(guān)管導(dǎo)通到截止瞬間原邊電流的最大值，IS2為VT1剛副邊電流是最大值。同理，當(dāng)開關(guān)管VT1由截止轉(zhuǎn)變到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，整流二極管截止，此刻副邊繞組無電流流過，則通過釋放過程，剩余的能量將返回初級(jí)，故有:

式(5)中，IP1是開關(guān)管(VT1)剛導(dǎo)通時(shí)原邊繞組的電流初始值，IS1為整流二極管截止之前副邊繞組中的瞬間電流。當(dāng)VT1導(dǎo)通后，電路工作進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，原邊電流又持續(xù)增大，變壓器(T)又開始儲(chǔ)存能量。在VT1截止過程中，流過副邊繞組的電流為:

式(6)中，UO是輸出電壓，IS2是開關(guān)管從導(dǎo)通到截止時(shí)刻副邊繞組電流幅值。根據(jù)此式可知單端反激變壓器副邊電流三種工作狀態(tài)。

因原副邊電流、繞組匝數(shù)存在關(guān)系式:IP2LP=IS2LS，因此可得到關(guān)系式:

單位時(shí)間里的供電能量，即輸入功率:

若不考慮電路的損耗，全部功率都傳輸?shù)截?fù)載上，則輸出功率等于輸入功率:

二 硬件設(shè)計(jì)

(一)輸入端設(shè)計(jì)

1．EMI濾波電路設(shè)計(jì)

EMI濾波電路設(shè)計(jì)如圖2，電路中Fuse1是過流熔斷絲，當(dāng)電路發(fā)生過流時(shí)器件將會(huì)熔斷，起到過流保護(hù)作用。RT1是熱敏電阻起到熱保護(hù)的作用。該EMI濾波電路設(shè)計(jì)是采用二階LC型低通濾波器。這種電路有效的抑制了共模(CM)噪聲和差模(DM)噪聲。圖中給出了各種元器件的有效值[3-4]。

圖2 EMI濾波電路

2．整流濾波電路的設(shè)計(jì)

整流濾波電路的設(shè)計(jì)如圖3，該設(shè)計(jì)中的整流電路采用的是橋式整流，并且使用的型號(hào)為KPB307的整流橋。KPB307的反向擊穿電壓可達(dá)1000V，正向可通過最大電流3A。足夠用來作為該設(shè)計(jì)的整流方案。電路中的C1采用X電容(安規(guī)電容)，用來防止正在工作中的機(jī)器的電源線突然被拔掉時(shí)，電源線插頭兩端的帶電電壓過大。C14是經(jīng)整流后的濾波電容(普通電容)，把整流后的電壓再次經(jīng)過濾波轉(zhuǎn)換為變換器所需要的直流電壓[5]。

圖3 整流電路

(二)二次整流濾波電路的設(shè)計(jì)

二次整流濾波電路如圖4所示。變壓器副邊感應(yīng)電壓經(jīng)過 D21、C221、C222、C223、L21、C232整流濾波得到輸出24V電壓，其中D21是ES3D具有快恢復(fù)性，由于任何一只二極管從導(dǎo)通到截止或從截止到導(dǎo)通都不是瞬間完成的，它的轉(zhuǎn)換過程都需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng)開關(guān)管從截止轉(zhuǎn)向?qū)〞r(shí)，盡管二極管上的電壓已經(jīng)反向偏置，但由于二極管中的少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，使得二極管會(huì)有一段時(shí)間(反向截止時(shí)間)呈低阻抗，之后才處于截止?fàn)顟B(tài)。于是輸入電壓通過開關(guān)管和二極管形成非常大的電流，這個(gè)電流通過回路中的C221、C222、C223會(huì)引起較大的高頻阻尼振蕩，經(jīng)過平滑濾波后，在輸出端形成開關(guān)波紋。

圖4 二次整流濾波電路

同理，當(dāng)開關(guān)管從導(dǎo)通到截止時(shí)也會(huì)形成開關(guān)波紋，并且具有一定的能量損耗，因而，D21選用的是反向恢復(fù)時(shí)間短、導(dǎo)通快的二極管并采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)減小損耗，降低發(fā)熱量。

(三)控制電路的設(shè)計(jì)

控制電路如圖5所示，圖中使用TOPSwitch-HX系列IC控制開關(guān)電路，電阻R13和R17串聯(lián)接在電壓檢測(cè)端L上，實(shí)現(xiàn)線電壓檢測(cè)，做為IC的欠壓與過壓保護(hù)電阻，過壓OV設(shè)定為400V，如果超過OV時(shí)，比如發(fā)生電涌，TOPSwitch-HX在電涌期間將停止轉(zhuǎn)換從而使器件可以承受700V高壓的沖擊。SRQ1是散熱片，因?yàn)樾酒L(zhǎng)期工作時(shí)會(huì)散發(fā)很大的熱量，而且該芯片是工作頻率是132KHz。所以散熱設(shè)計(jì)方面也是很重要的一部分。TOPSwitch-HX系列IC的主要特點(diǎn)已在前面介紹，該設(shè)計(jì)采用的主控芯片是TOP258YN。

圖5 主控電路圖

三 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

測(cè)試工具:接觸調(diào)壓變壓器(1臺(tái))、功率檢測(cè)器(1臺(tái))、萬用表(2個(gè))、16．4Ω的阻性負(fù)載。

表1 測(cè)試結(jié)果

該系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果如表1所示，由表1可看出，當(dāng)該系統(tǒng)工作在220V交流時(shí)，它的工作效率高達(dá)87．23%，與傳統(tǒng)的線性電源相比就充分體現(xiàn)了該開關(guān)電源的優(yōu)越性。

[1]楊旭，裴元慶，王兆安．開關(guān)電源技術(shù)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

[2]KUEBRIEH D，SELUNELUNID M，DUETHAUM T．A-nalysis of a DSP system in order to flexibly control a switch mode Power supply[J]．European Conference on Power E-lectronics and Applieations．2007:745-752．

[3]ZhangJie，ZouYunPin，ZhangYuri，TangJian．DSP implementation of digitally controlled SMPS[J]．Proceedings of the 33rdAnnual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，2007:1484-1488．

[4]楊永華，邱福來．新型數(shù)控開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，2009，08(4):59-62．

[5]羅剛，高榮，江書勇．開關(guān)電源的數(shù)字控制技術(shù)研究[J]．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，04:12-15．