反激式多路輸出開關(guān)電源的設(shè)計

宋連慶， 王紀(jì)臣， 宋淑淑， 梁鵬飛

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院， 陜西 西安 710048）

開關(guān)電源由于其體積小、重量輕和效率高等特點，在電子設(shè)備與電子信息產(chǎn)業(yè)中被廣泛應(yīng)用， 在現(xiàn)代電子電力技術(shù)領(lǐng)域有舉足輕重的作用[1]。 反激式開關(guān)電源具有結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，易于控制的的特點[2]。 美國PI 公司生產(chǎn)的Topswitch－GX 系列單片開關(guān)電源集成芯片是將PWM 控制器、高壓MOSFET、故障自動保護(hù)功能及其它控制電路集成到一個硅片上，從而可以降低系統(tǒng)成本，減小電源尺寸，提高開關(guān)電源設(shè)計的靈活性。

1 電源系統(tǒng)整體設(shè)計及原理

1.1 電路工作原理

電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。 此設(shè)計電壓輸入85 V 到265 V，主輸出為5 V/2 A，輔輸出為15 V/0.5 A、－15 V/0.5 A、24 V/1 A 。 TOP245Y 芯片有6 個管腳，D、S 管腳為開關(guān)管漏極和源極；F 管腳是頻率控制引腳， 將F 管腳和S 管腳連接時，可以得到開關(guān)頻率為132 kHz；管腳為外部流限引腳，從外部可以將流限值設(shè)定為略高于低電壓工作時的滿載峰值電流；管腳具有欠壓和過壓檢測功能，并為降低輸出電壓頻率紋波提供電壓前饋；管腳是誤差放大器和反饋電流的輸入引腳，用于占空比的控制。 鑒于Topswitch－GX 系列芯片集成度比較高，本電源的設(shè)計主要圍繞高頻變壓器、鉗位電路、濾波電路、反饋電路，以及穩(wěn)壓電路進(jìn)行設(shè)計。

1.2 高頻變壓器設(shè)計

高頻變壓器是反激式開關(guān)電源的核心部件， 并具有儲能、隔離和變壓的功能，合理的設(shè)計對開關(guān)電源的效率和控制的穩(wěn)定性都有很大的影響。 本設(shè)計開關(guān)電源的最大瞬時輸出功率是55 W，TOP245Y 的開關(guān)頻率設(shè)定fs=132 kHz， 然后進(jìn)行其他參數(shù)的計算和磁芯選擇。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Circuit structure diagram

1.2.1 計算輸入輸出功率

1）輸出功率

2）輸入功率 選擇電源效率參數(shù)

3）視在功率

1.2.2 初級繞組參數(shù)

1）占空比計算。 高頻變壓器輸入直流電壓的最小值V in（min）=208.86 V，次級反射到初級的反射電壓V or 取110 V[3]，開關(guān)管導(dǎo)通時漏極和源極之間的壓降VDS根據(jù)芯片TOP245Y 參數(shù)手冊可設(shè)為10 V[4]，則有：

2）初級繞組電流

初級平均電流IAVG和峰值電流IPK可由式（5）和式（6）計算：

其中KPR為開關(guān)電源的電流比率， 表示初級電流脈動電流IR與峰值電流IPK的比例關(guān)系，即KRP=LR/IPK；當(dāng)電源工作在CCM 連續(xù)工作模式時，可選取KPR=0.6。

3）初級電流有效值IRMS：

1.2.3 磁芯的選擇

高頻變壓器磁芯選用鐵氧體制成的EC 型磁芯，EC 型磁芯具有漏感小、耦合性好、繞線方便的優(yōu)點。 采用AP 法就是將磁芯窗口面積Aw和磁芯有效截面積Ae 進(jìn)行相乘，然后查磁芯規(guī)格表就可以確定磁芯的型號。 AP 法計算公式為[5]：

式中，窗口使用系數(shù)Ko=0.4；波形系數(shù)Kf=4；磁感應(yīng)強度Bw=0.3；工作頻率fs=132 kHz；X 為磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)，經(jīng)查表可得鐵氧體磁芯在溫升25 度時，X=-0.12、Kj=366； 代入上式計算可得AP≈0.035 8 cm4。

根據(jù)磁芯手冊規(guī)范，并留取一定的裕量。 考慮到開關(guān)電源次級繞組，需要的窗口面積，以及磁芯和骨架，經(jīng)分析選取EER28L。 其參數(shù)AP≈0.784 cm4；Pmax=80.0 w；Ae=81.40 mm2；Aw=96.3 mm2。

1.2.4 計算變壓器繞組

1）初級電感的最小值

2）磁芯的氣隙

根據(jù)磁芯參數(shù)表，可知EER28L， 當(dāng)時Lgap≈0.4 mm，AL=180 nH/N2，其中AL為電感系數(shù)。

3）初級繞組的匝數(shù)

因此，初級繞組取NPri=50 匝。

4）次級繞組的匝數(shù)

因此，繞組取Ns1 為2 匝，此處整流二極管壓降VD=0.7 V。

1.2.5 計算導(dǎo)線直徑

表1 繞組選擇Tab. 1 Winding choice

1.3 RCD 鉗位電路

由于變壓器漏感的存在，反激變器在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生很大的尖峰電壓， 使得開關(guān)管承受較高的電壓應(yīng)力，甚至損壞開關(guān)管[6]。

鉗位電容C 的最大峰值電壓為Vcmax， 下式中0.9 為降額使用系數(shù)，則

計算漏極與源極之間的電壓Vdsmax：

同時，鉗位電阻R 上消耗的能量則可由下式計算：

由鉗位電路的工作原理可知，鉗位電容C 上儲存的能量需全部在R 上釋放掉，有PR=PC，故用下式表示：

鉗位電容C 的值須保證在吸收變壓器初級漏感的能量時產(chǎn)生的脈動電壓很小。 一般取脈動電壓ΔVcmax為鉗位電壓的5%～10%，計算時取10%，則：

根據(jù)該方法可以進(jìn)行初步的計算并根據(jù)實驗選取合適的電阻和電容。

1.4 輸出整流濾波電路

1.4.1 整流二極管

整流二極管的開關(guān)損耗是影響開關(guān)電源效率的主要因素[7]。 通常整流二極管的選擇要滿足以下條件：

1） 假設(shè)管子的最高反向工作電壓為和繞組上最大峰值反向電壓為，則：

繞組的最大峰值反向電壓PIVs 可由下式定義：

2）二極管的直流電流額定值和輸出繞組端的輸出電流IO要滿足：ID≥3IO。

依據(jù)以上設(shè)計原則，并留有一定的安全裕量，可以選取合適的整流二極管。

二極管的反向恢復(fù)特性會造成很大的瞬態(tài)電壓[8]，如果處理不好，會引起器件的擊穿，問題和加大功率損耗。 為此，常在二極管上并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)減少尖峰電壓。 在實驗中獲得的整流二極管兩端電壓波形如圖2，圖3 所示。

圖2 無吸收尖峰波形Fig. 2 No absorption peak waveform

圖3 并聯(lián)RC 吸收尖峰效果Fig. 3 Parallel absorption peak effect

1.4.2 濾波電容

濾波電容具有濾波和降低輸出電壓紋波的作用。 對輸出電容的選擇，（等效串聯(lián)阻抗）和紋波電流是它的兩個重要參數(shù)。 通常電容的選擇要滿足以下條件：

1）電容的額定電壓值，Vc≥1.2×Vomax。

2）電容要有較低的等效串聯(lián)阻抗值。

3）電容C 的絕對最小電容計算如下式，其中Tdon為輸出整流二極管的導(dǎo)通時間：

式中Vriple（max）是輸出電壓紋波值，取1%V o。

4）輸出電流的額定紋波電流值Ic大于輸出電容紋波電流Irac。

根據(jù)以上計算步驟，確定每路輸出繞組需要使用的電解電容參數(shù)。

1.5 穩(wěn)壓電路

為了提高電路輸出電壓的可靠性和穩(wěn)定性， 在輸出端加上穩(wěn)壓管是一種很好的選擇，但會產(chǎn)生壓降的問題[9]。 為解決壓降問題， 在前面變壓器的沒有反饋調(diào)節(jié)的輸出計算中提高了電壓2～3 V。 因此選用L7805CV 和L7915CV 分做±15 V 的穩(wěn)壓管，選用L7824CV 做24V 穩(wěn)壓管。 為了避免穩(wěn)壓管不能正常工作， 在穩(wěn)壓管前端輸入并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。 選用IN4751A和IN4746A 分別做L7824CV，L7815CV 和L7915CV 穩(wěn)壓二極管。

1.6 反饋電路

開關(guān)電源反饋電路主要有4 種類型，本設(shè)計采用的是并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431ACLP 和線性光耦LTV817 組成的反饋電路。

由于對5 V 輸出精度要求比較高， 選其為采樣信號。若輸出電壓發(fā)生變化時[10]，分壓電阻獲取的電壓就會和TL431ACLP 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.5 V 進(jìn)行比較，此時流過光電耦合LTV817 中的電流就會發(fā)生相應(yīng)的線性變化， 會引起流過TOP245Y 控制端電流IC 變化，占空比D 和成IC 反比，通過自動調(diào)節(jié)占空比D 就可以調(diào)整電源輸出電壓。

2 實驗結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計步驟， 實現(xiàn)了24 V/1 A、±15 V/0.5 A、5 V/2 A四路輸出反激式開關(guān)電源的設(shè)計。 電源性能設(shè)計指標(biāo)為：負(fù)載調(diào)整率≤1%；紋波電壓≤100 mV；電源效率≥80%；具有一定的過電流保護(hù)和過壓保護(hù)。 對其各項性能指標(biāo)進(jìn)行實驗的驗證，均滿足設(shè)計要求。

在工頻電源電壓輸入時，本電源在滿載時電壓輸出特性如表2 所示。

表2 電氣輸入特性Tab. 2 Electrical input characteristics

3 結(jié) 論

以反激式開關(guān)電源設(shè)計的基本原理和TOP245Y 芯片的性能為依托，設(shè)計出的高頻變壓器、RCD 鉗位電路、輸出整流電路、反饋控制電路、穩(wěn)壓電路等電路均能很好的工作，電源整體性能優(yōu)良。 經(jīng)實驗驗證，電源效率、電源電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等滿足設(shè)計要求。

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