車載電源系統(tǒng)開關電源的設計

韓 曉

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 開關電源的應用及現(xiàn)狀

隨著開關電源的應用和推廣，其應用的高效性和體積重量的輕便性等特點，使其在電子信息產業(yè)發(fā)展中承擔著越來越重要的角色。目前，開關電源在各種通信終端等電子設備中得到了廣泛應用，最具代表性的就是300～500 kHz電源，其制造的核心是金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET），已逐漸發(fā)展成為市場主流的DC-DC開關電源。但隨著市場化進程的不斷推進和現(xiàn)代信息技術的穩(wěn)步發(fā)展，對工作頻率的要求也越來越高，因此在未來高頻化發(fā)展進程的推進中，要切實加強開關電源技術創(chuàng)新和應用探索，繼續(xù)優(yōu)化開關電源的質量和體積，進一步拓展開關電源的應用范圍[1-3]。

近年來，在高新技術產業(yè)和信息產業(yè)高速發(fā)展的背景下，電子產品和元件的輕便化和集成化要求也越來越高，在未來發(fā)展和應用中要緊密結合環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展理念，在保障高頻率需求的基礎上，穩(wěn)步提高開關電源的制造工藝，尋求磁性材料及半導體元件等高新技術和產品應用的突破，為開關電源技術發(fā)展提供新的活力，實現(xiàn)開關電源工藝水平的跳躍式發(fā)展。

2 基本反饋電路及反激式電源變換器

2.1 基本反饋電路

以DC-DC開關電源為例，電路輸出端電壓的采集依靠采樣電阻R完成。在電壓信息采集完成后，將獲取到的各項電壓變化信息傳輸到控制芯片，由其完成電壓的調控。作為開關電源中最基本的反饋電路，其設計相對簡單，成本消耗較低，但穩(wěn)定性較差，抗干擾能力不強[4]。

2.2 反激式DC-DC電源變換器

以反激式開關電源為例，變壓器原邊能量的儲存是在開關管導通后進行的，其能量儲存的來源是電源的能量。能量儲存過程中，電流將不斷上升，同時會導致副邊產生電動勢。輸出端設置了整流二極管，在其防反功能作用下并不會產生有效的電流。如果開關管突然關斷，那么變壓器原邊的電流會發(fā)生突變。在法拉第電磁感應作用下，變壓器的副邊會產生感應電動勢和感應電流，實現(xiàn)儲存能量向負載供能。

反激式DC-DC電源變換器的繞組是根據功能需要進行科學設計的，保證了變壓器的原邊和副邊不能同時導通。據上述分析來看，開關管的儲能過程是在導通時和關斷時完成的，且互相獨立，因此此升降壓變換器屬于衍生拓撲。

3 單端反激式開關電源的設計

本文將選取如1圖所示的單端反激式開關電源為例，進行升壓單端反激式開關電源拓撲研究。其控制核心是UC3845，開關頻率設置為150 kHz，輸入為12 V的直流電源，通過DC-DC變換為24 V輸出的直流電源，在穩(wěn)壓二極管作用下輸出+15 V和-8 V電壓。系統(tǒng)中采用的芯片是常見的脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）芯片中的一種，能夠借助新品有效控制PWM波實現(xiàn)對系統(tǒng)的綜合調控。另外，系統(tǒng)中的Q5是系統(tǒng)的MOS管，能夠實現(xiàn)對時間的合理調控和設置，保障系統(tǒng)輸出的合理性和整體的穩(wěn)定性。

圖1 單端反激式開關電源原理圖

系統(tǒng)的啟動是在UC3845芯片控制下進行的，啟動之后將在整體調控下開始正常工作。第一個工作周期內芯片需要輸出高電壓，然后開關管打開后變壓器的原邊會產生突變電流，同時將進行能量儲存。根據儲能情況進行控制，一直到儲能完成后將控制芯片再輸出低電壓，此時控制開關管關閉。原邊內電流將經過D13的二極管實現(xiàn)續(xù)流，此時發(fā)生的電流突變將導致副邊產生感應電動勢，出現(xiàn)感應電流，經過副邊二極管D9和D14整流后，再經儲能濾波電容出現(xiàn)，最終得到相對穩(wěn)定的輸出電流和輸出電壓。

如果需要不同的輸出電壓，輸出環(huán)境變化會通過系統(tǒng)進行反饋和調整，保證輸出電壓和電流的合理性。一旦輸出端的負載變大，則其功率將瞬間增大，電壓將會突變減小。如果其低于正常的工作電壓，那么將會在輸出電路端進行檢測完成系統(tǒng)反饋。該系統(tǒng)反饋過程的原理是基于準電壓的反饋電路，通過TL431完成，在光耦的聯(lián)通下連接到FB引腳，反饋到控制芯片?？刂菩酒琔C3845得到反饋電壓等信息后，結合輸出電壓的變化信息合理控制PWM的占空比，保證在輸出電壓降低后，為其提供更多的能量保障電壓的穩(wěn)定。此外需要合理增加占空比和開關管的開通時間，保障原邊能夠儲存更多的能量，保證輸出端電壓需求。儲能結束后關閉開關管，將更多的能量傳輸給輸出端，當輸出能量需求變少或輸出負載變低時，反饋原理相同，達到穩(wěn)定的輸出狀態(tài)[5]。

3.1 單端反激式開關電源的相關參數設計

本文選取單端反激式開關電源為例，合理分析和設計幾個相關參數。

傳統(tǒng)的變壓器原邊和副邊兩端電壓的比例和電流的比例是由匝比決定的，由于原理和設計的不同，導致反激變換器相關數值計算也有所差異。具體原因是其繞組不同時導通，所以要計算原邊和副邊的電壓，綜合計算輸入電壓VIN和占空比等數據。在開啟開關管的過程中，VIN電壓只作用在變壓器的原邊，所以電壓VINR=VIN/n。其中n是電壓器的匝比，VINR是副邊電壓，但由于副邊的整流二極管存在，導致副邊此時并沒有電流流過。

綜上，變壓器繞組之間的電壓VP和VS可以通過感應電壓方程來計算，電壓轉換后的數值為：

式中，NP、NS分別表示其繞組的匝數；表示磁通變化率。

通過計算能夠得到傳統(tǒng)變壓器的電壓成比例，也能夠進一步揭示出傳統(tǒng)變壓器的匝比關系影響下的電壓變化等情況。但在反激式變壓器中，原邊和副邊是不同時導通的，所以詮釋反激式變壓器的電流比等情況，還需要從能量的角度出發(fā)根據其特點綜合考慮[6-8]。

其中，磁芯的能量為：

雖然反激式變壓器原邊和副邊的導通時間不一樣，但各個繞組的能量在不同時間必然等于上式的磁芯能量。那么：

式中，LP是原邊的電感值（開路狀態(tài)）；LS是副邊的電感值（開路狀態(tài)）。電感公式為：

式中，AL為設計時定義的電感系數。所以，在反激式變換器中有：

帶入能量方程可得出：

這就是正常工作狀態(tài)下的變壓器電流和匝比的關系。

3.2 單端反激式開關電源應用功率范圍

單端反激式開關電源在應用過程中，應用功率普遍不高，通常維持在100 W左右，而且是在開關管關斷期間完成的。開關管開通過程中不需要為負載提供輸出功率，為保證變壓器能夠復原，設計的占空比就不能大于0.5。另外考慮到單端反激式開關電源在應用過程中具有體積小和質量輕等特點和優(yōu)勢，所以在設計過程中往往設計為低功率。如果強行將單端反激式開關電源設計成高功率輸出，會增大變壓器的體積，增加設計成本，在使用時也會增加系統(tǒng)的損耗，降低開關電源的效率，所以大功率的DC-DC轉換器都不使用單端反激式的開關電源方案[9,10]。

4 結 論

單端反激式開關電源在設計和應用過程中，電路設計簡單，體積小且質量輕，不需要正激式開關電源的大體積儲能濾波電感，也減少了續(xù)流二極管的配置，使其在體積設計上具有了更大優(yōu)勢，大大降低了設計成本。此外，單端反激式開關電源不僅具有儲能功能，而且變壓效果和隔離作用較好，波紋干擾較少，使得輸出電壓更干凈，滿足多路輸出和小功率應用需求。