一種小功率磁隔離單端正激變換器的設(shè)計(jì)與計(jì)算

楊路華

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

1 電路主要技術(shù)指標(biāo)及構(gòu)成

在中小功率電源中，使用較多的拓?fù)渲饕袉味苏?、單端反激以及推挽正激。其中，單端正激式電源由于其結(jié)構(gòu)簡單、輸出紋波小以及交叉調(diào)整率好等特點(diǎn)，在低壓輸出和500 W輸出功率范圍內(nèi)使用較為廣泛。在此主要對輸入28 V和輸出5 V/25 W電源進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。電路拓?fù)洳捎脝味苏な剑琍WM控制芯片采用UC1843，頻率設(shè)定為400 kHz。功率級(jí)去磁方式采用諧振去磁，磁隔離控制芯片采用UC1901。主要技術(shù)指標(biāo)如下[1-3]。

輸入電壓為20～50 V（標(biāo)稱28 V），輸出電壓為（5±0.25）V，輸出電流≤5 A，輸出功率為25 W，效率≥77%，輸出紋波電壓≤50 mV，電壓調(diào)整率≤50 mV，負(fù)載調(diào)整率≤50 mV，開關(guān)頻率為350～500 kHz，啟動(dòng)延遲≤10 ms，啟動(dòng)過沖≤50 mV，短路功耗≤14 W，禁止低電平，絕緣電阻≥100 MΩ，最大尺寸為54 mm×29 mm×10.5 mm，隔離方式為磁隔離。

具體電路由輸入濾波電路、輔助供電電路、脈寬調(diào)制電路、功率級(jí)電路、輸出整流電路、輸出濾波電路以及反饋電路組成，如圖1所示[4]。

圖1 模塊電源原理圖

2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 輸入濾波電路

輸入濾波電路設(shè)有π型濾波電路，由電容C1和C2以及電感L1組成。綜合電路體積和濾波效果兩方面因素，電源輸入濾波電路的轉(zhuǎn)折頻率一般要低于其開關(guān)頻率的1/6[5]。若模塊電源的開關(guān)頻率為400 kHz，那么轉(zhuǎn)折頻率要小于66.6 kHz。

電容C1和C2的耐壓值選取100 V，容值為1 μF。L1、C1以及C2組成π型低通濾波器，電感量選取6.2 μH，轉(zhuǎn)折頻率為：

所求轉(zhuǎn)折頻率為64 kHz小于66.6 kHz，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 功率級(jí)電路

2.2.1 功率變壓器

高頻開關(guān)電源功率變壓器的磁芯應(yīng)選擇功率鐵氧體材料，選擇PC40功率鐵氧體。磁芯結(jié)構(gòu)為罐形，直徑14 mm，高8.8 mm。其在100 ℃時(shí)的飽和磁通密度BS為3 900 Gs，所選磁芯的有效截面積Ae為25.8 mm2，窗口面積AW為14.84 mm2。體積Ve為0.492 cm3。電源模塊的輸出功率為5 V×5 A=25 W。設(shè)變壓器變換效率為95%，則允許變壓器損耗功率為 25×5%=1.25 W[6]。

變壓器損耗由磁芯損耗PFe和線圈損耗PCU組成，設(shè)：

允許的磁芯損耗密度為：

根據(jù)該材料的損耗曲線，在400 kHz和1.27 W/cm3條件下，可選工作時(shí)的最大磁通密度Bm為2 100 Gs。由于變壓器直接安裝在模塊的金屬外殼上，因此電流密度J可選16 A/mm2，此時(shí)該磁芯的輸出功率為：

其滿足該電源模塊的需要且余量很大。實(shí)際工作時(shí)只要變壓器能夠達(dá)到30 W功率即可，另外減小Bm可以減少磁芯損耗，同時(shí)增加防止變壓器飽和的余量。因此可選為：

實(shí)際選擇Bm為1 000 Gs。

模塊電源輸出電壓UO為5 V，考慮整流二極管壓降Ud為1 V，則變壓器原副邊匝比n為：

根據(jù)電磁感應(yīng)定律確定變壓器原邊匝數(shù)為：

故取原邊匝數(shù)為11 匝。

此時(shí)實(shí)際Bm值為：

根據(jù)變壓器原副邊匝比n確定副邊匝數(shù)NS=Np/n=11/2=5.5 匝，取副邊匝數(shù)5 匝。實(shí)際變壓器原副邊匝比變?yōu)閚=NP/NS=11/5=2.2。

在最壞條件下，即輸入電壓最大，工作占空比最大時(shí)，磁通密度為：

其值小于飽和磁通密度Bs。

變壓器原邊繞組為11匝，采用直徑為0.21 mm的漆包線3線并繞；副邊繞組5匝，采用直徑為0.27 mm的漆包線5線并繞。變壓器每匝的平均長度Lcp=27.5 mm。直徑d1為 0.21 mm的漆包線在100 ℃時(shí)單位長度的電阻r=0.675 Ω，直徑d2為0.27 mm的漆包線在100 ℃時(shí)的單位長度電阻r=0.408 Ω。實(shí)際變壓器工作時(shí)的磁通密度Bm為1 004 Gs。由磁芯材料手冊可知，在400 kHz時(shí)，其磁芯損耗PFe為89.1 mW。考慮到趨膚效應(yīng)，計(jì)算繞組線圈在100 ℃、400 kHz條件下的穿透深度Δ=0.12 mm。

副邊繞組直流電流和交流電流有效值分別為：

由于副邊繞組是5線并繞，因此每個(gè)線圈的電流為副邊總電流的1/5，故直流為0.6 A，交流為0.49 A。

原邊繞組直流電流和交流電流有效值分別為：

由于原邊是3線并繞，因此每個(gè)線圈的電流是原邊總電流的1/3，故直流為0.45 A，交流為0.37 A。

鄰近效應(yīng)的影響下，高頻變壓器工作時(shí)繞組電流集中在導(dǎo)線的一邊，導(dǎo)致導(dǎo)線的有效面積減少。對于變壓器原邊，有效面積減少的倍數(shù)為：

若原邊有效面積沒有減少，則Qp=1。對于變壓器副邊，有效面積減少的倍數(shù)為：

副邊每個(gè)線圈的直流電阻為：

副邊繞組總直流損耗為：

副邊每個(gè)線圈的交流電阻為：

副邊繞組總交流損耗為：

因此變壓器副邊繞組總損耗為：

原邊每個(gè)線圈的直流電阻為：

原邊繞組總直流損耗為：

原邊每個(gè)線圈的交流電阻為：

原邊繞組總交流損耗為：

因此變壓器原邊繞組總損耗為：

變壓器的繞組總損耗為：

變壓器的總損耗為：

該值小于變壓器允許損耗1.25 W。

2.2.2 功率MOS管

首先確定功率MOS管承受的最大電壓。已知諧振電容和勵(lì)磁電感，因此諧振的角頻率為：

諧振波的半周期為：

功率管導(dǎo)通時(shí)的伏秒值為：

根據(jù)伏秒平衡的原理可得出諧振峰值為：

在實(shí)際工作時(shí)，輸入50 V，功率MOS管承受的電壓最高，而此時(shí)的去磁時(shí)間即為功率MOS管的關(guān)斷時(shí)間Toffmax，求其值如下：

由伏秒平衡原理可知功率MOS管承受的最大電壓為：

因此，按照I級(jí)降額的要求，功率MOS管的UDSS應(yīng)大于2×Uq1=154 V，電流應(yīng)大于2×Ipk=2×2.61=5.22 A。

實(shí)際選擇MOS管的主要參數(shù)中，漏源電壓≥200 V，連續(xù)漏級(jí)電流ID≥16 A，導(dǎo)通電阻RDS(ON)≤0.13 Ω，TJ=-55～ +175 ℃，Qg=42 nC，Qgs=10 nC，Qgd=20 nC，COSS=206 pF。

功率MOS管的損耗由導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗以及輸出電容COSS損耗組成，分別計(jì)算如下。

導(dǎo)通損耗為：

開關(guān)損耗為：

其中，

驅(qū)動(dòng)損耗為：

輸出電容損耗為：

因此功率MOSFET的總損耗為：

2.3 輸出整流電路

輸出整流電路包括整流二極管D1、續(xù)流二極管D2、電容C10和C11以及電阻R13和R14組成的尖峰吸收網(wǎng)絡(luò)[7]。

諧振峰值在20 V時(shí)最大，其值為：

整流二極管承受的最大電壓為：

為保證I級(jí)降額，整流二極管D1的耐壓應(yīng)大于2×15.5=31 V。續(xù)流二級(jí)管D2承受的最大電壓為：

為保證I級(jí)降額，續(xù)流二極管D2的耐壓應(yīng)大于2×21.7=43.4 V。

變換器輸出電流為5 A，為保證I級(jí)降額，二極管D1和D2的電流必須大于10 A。選擇二極管D1和D2主要參數(shù)如下，IF≥30 A，VR≥60 V，VF≤1.2 V，TJ=-55 ～ +175 ℃。

二極管的功耗主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗兩部分。由產(chǎn)品手冊可知，在工作電流5 A時(shí)，二極管正向?qū)▔航礥F=0.45 V，在反向電壓為43.4 V時(shí)，其結(jié)電容為220 pF。

導(dǎo)通損耗為：

開關(guān)損耗為：

二極管D1和D2總損耗為：

在選擇二極管時(shí)，往往選擇相同的二極管，由于在整流管上的最大電壓值遠(yuǎn)小于續(xù)流管上的最大電壓，因此一般考慮續(xù)流二極管的選擇。同時(shí)整流管上的吸收網(wǎng)絡(luò)C10和R13一般也不接。續(xù)流管上的吸收網(wǎng)絡(luò)R14=10 Ω，電容取220 pF。

2.4 輸出濾波電路

輸出濾波電路由輸出電感L2和輸出濾波電容C12及C13組成。設(shè)在輸出最大紋波電流ΔIO=IO×20%=1 A，即當(dāng)輸出電流小于0.5 A時(shí)為斷續(xù)工作狀態(tài)，則輸出濾波電感為：

電感磁芯選擇PC40材料的罐形磁芯，直徑為14 mm，高為8.8 mm，有效截面積Ae為25.8 mm2，體積Ve為0.492 cm3，平均繞線長度為27.5 mm，中心柱有效直徑Dcp=0.61 cm。

工作時(shí)磁通密度變化量為：

計(jì)算保證電感量所需的匝數(shù)為：

實(shí)際電感采用0.27漆包線5線并繞10匝，并通過氣隙調(diào)整電感量。計(jì)算達(dá)到所需電感量的氣隙長度為：

此公式需迭代計(jì)算，且適用于中心柱為圓形的磁芯，因此，在此直接采用如下公式計(jì)算：

將計(jì)算結(jié)構(gòu)代入迭代公式，計(jì)算得需要?dú)庀?.3 mm，使電感量不低于11.4 μH。計(jì)算電感損耗時(shí)，磁芯損耗按照磁芯工作時(shí)的磁通密度進(jìn)行計(jì)算。有磁芯手冊可知磁芯損耗密度約為70 mW/cm3。

磁芯損耗為：

線圈的直流阻抗為：

直流損耗為：

計(jì)算線圈交流阻抗時(shí)，由于集膚效應(yīng)的影響，有效面積減小的倍數(shù)為：

線圈共需要3層，考慮鄰近效應(yīng)的影響，因此：

電感交流分量為ΔIO=1 A，有效值為：

交流損耗為：

因此，電感總損耗為：

輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻ESR的大小直接決定了輸出紋波電壓的大小，變換器要求輸出紋波的峰峰值小于200 mV。因此：

濾波電容量應(yīng)大于：

同時(shí)考慮負(fù)載電流發(fā)生階躍變化時(shí)，輸出電壓的上沖或下沖不能損害負(fù)載電路。當(dāng)輸出負(fù)載電流階躍變化時(shí)，按照輸出電壓變化3%計(jì)算，輸出電容為：

由于變化器要求輸出電容高頻特性好、體積小、容量大且ESR小，因此根據(jù)國內(nèi)元器件水平，選用4個(gè)10 V、47 μF的陶瓷電容和25 V、0.1 μF的陶瓷電容并聯(lián)，可以滿足輸出濾波和波電壓紋的要求。

2.5 隔離反饋電路設(shè)計(jì)

變換器采用磁隔離反饋單端正激式電路，磁反饋隔離電路控制器選用UC1901，其工作電壓為4.5～40 V。該模塊電源輸出電壓為直流5 V，因此可以使用輸出電壓直接給UC1901供電。

磁反饋隔離電路由控制器UC1901、隔離變壓器T2以及信號(hào)整流濾波電路（D5、C16、R23）組成。其中，Uref的值是1.5 V，所以R16和R17的取值應(yīng)該滿足：

取R17=5.1 kΩ 時(shí)， 則R16=11.9 KΩ。D5、C16以及R23將調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行整流濾波解調(diào)，以取出信號(hào)的幅度送到UC1843的反向輸入端，最終控制PWM的脈寬輸出，從而達(dá)到閉環(huán)穩(wěn)壓的目的。二極管D5選擇1N4148，C16=6.8 nF，R23=56 kΩ。

UC1901的10腳是內(nèi)部放大器的同向輸入端，可直接接1.5 V基準(zhǔn)信號(hào)，11腳是內(nèi)部放大器的反向輸入端，接輸出電壓的反饋信號(hào)，C15和R19是放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)，可通過試驗(yàn)確定參數(shù)，C15=33 nF，R19=13 kΩ。

C14和R20是振蕩電容和電阻，其振蕩頻率為：

采用內(nèi)部振蕩，頻率與UC1843R頻率一致，其特點(diǎn)是可以保證最佳線形反饋，且抗干擾能力強(qiáng)。設(shè)定UC1901載波頻率f=400 kHz，RT=10 kΩ，則CT=3.1 nF。

DRA和DRB輸出的互補(bǔ)信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)信號(hào)變壓器T2，R21和R22為擴(kuò)流電阻，取值為5 kΩ，這樣可以將輸出端DRA和DRB的吸電流能力提高到1 mA。隔離變壓器T2的設(shè)計(jì)要保證勵(lì)磁電流不大于1 mA。這樣可以保證電信號(hào)傳輸至PWM的2腳進(jìn)行穩(wěn)壓控制。

3 實(shí)測結(jié)果對比

根據(jù)上述產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)和計(jì)算所得具體參數(shù)要求，進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)和樣機(jī)組裝。對樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際測試，產(chǎn)品各項(xiàng)輸出滿足技術(shù)指標(biāo)要求，內(nèi)部各點(diǎn)波形符合計(jì)算預(yù)期。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款小功率磁隔離單端正激變換器，介紹了整體電路設(shè)計(jì)原理，并對主要元件的選擇給出了較為詳盡地推導(dǎo)計(jì)算和選取原則。樣機(jī)整體測試結(jié)果表明，電源各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，輸出穩(wěn)定且性能良好。