高功率密度超薄開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)*

于 廣，李鳳坤，田 華

(大連東軟信息學(xué)院 智能與電子工程學(xué)院，遼寧 大連116023)

0 引言

隨著電子儀器設(shè)備朝著小型化、高功率密度、高變換效率、高可靠性、綠色化方向發(fā)展，輕、薄、小成為衡量?jī)x器設(shè)備的重要標(biāo)志，故設(shè)計(jì)高功率、高性能的開(kāi)關(guān)電源是電力電子技術(shù)研究的重要內(nèi)容。磁性元件的體積和重量在開(kāi)關(guān)電源中占據(jù)相當(dāng)大的比例，占總體積和重量的百分之三四十， 降低開(kāi)關(guān)電源中的磁性元件的體積，成為降低開(kāi)關(guān)電源的體積和重量、提高其功率密度的一種方法[1]。 平面變壓器因以PCB Trace 代替導(dǎo)線繞組實(shí)現(xiàn)變壓器平面結(jié)構(gòu)，可有效降低變壓器厚度, 減小開(kāi)關(guān)電源的體積和重量。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 樣機(jī)規(guī)格

樣機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)格如下：

(1)輸入電壓：90 VAC～264 VAC

(2)輸出電壓：+19.5 V±5%

(3)輸出功率：45 W

(4)輸出電流：0～2.3 A

(5)樣機(jī)尺寸：9 cm×5 cm×2 cm

1.2 設(shè)計(jì)方案

文中的高效率緊湊型開(kāi)關(guān)電源，主電路采用反激(Flyback)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)DC/DC 變換，反激主電路工作在(CCM)電流連續(xù)模式。 主電路中變壓器采用平面變壓器設(shè)計(jì)方案，因PCB 結(jié)構(gòu)可以顯著減少變壓器體積，還具有一致性好、低漏感、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，成為超薄開(kāi)關(guān)電源的理想選擇。 同時(shí)考慮高效率和高功率密度小體積的規(guī)格需求，控制電路中的主控制器選用100 kHz 開(kāi)關(guān)頻率的仙童半導(dǎo)體的集成綠色PWM 控制芯片SG6742，高開(kāi)關(guān)頻率能有效地降低開(kāi)關(guān)電源的重量和體積， 同時(shí)100 kHz的開(kāi)關(guān)頻率又有益于解EMI 問(wèn)題。

2 功率級(jí)電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 Bus 電容容值計(jì)算及設(shè)計(jì)

輸入整流后的脈動(dòng)直流需要電容進(jìn)行濾波，設(shè)濾波后直流電的電壓均值為100 V，最低值為73 V，則有式(1)：

式中：P0為輸出功率；VinDC_min為整流濾波后直流電壓最低值；Vacmin為輸入最小交流電壓值；η 為變換器轉(zhuǎn)換效率；f 為交流電頻率。 經(jīng)計(jì)算可得，C=64 μF，為同時(shí)滿足最大Vac=264 V 電壓輸入，整流后直流電壓為375 V，所以文中選用Rubycon 的68 μF/400 V 電解電容做Bus 電容。

2.2 反激變換器變壓器設(shè)計(jì)

反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相當(dāng)于變壓器隔離型Buck-Boost 變換器，在反激拓?fù)渲?，變壓器除了?shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓匹配之外，還有儲(chǔ)存能量的作用，前者是變壓器的屬性，后者是電感的屬性，所以反激變換器相當(dāng)于一個(gè)異步電感。 反激變壓器在能量轉(zhuǎn)換中發(fā)揮了重要作用，故反激變換器中的變壓器的設(shè)計(jì)成為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中最重要的一項(xiàng)。 同時(shí)，也正因在反激變換器中變壓器相當(dāng)于電感，所以反激變換器不同于正激變換器，其次級(jí)不一定要接輸出濾波電感，從而使反激變換器的體積減少，成本降低[2]。 同時(shí)也正因此使得輸入電壓和負(fù)載變化時(shí)，反激變換器各輸出端都能夠很好地調(diào)整，從而反激變換器也適合多組輸出的變換需求[3]。

2.2.1 反激變換器工作模式

反激變換器根據(jù)次級(jí)電流是否有降到零，反激可以分為斷續(xù)工作模式(DCM)和連續(xù)工作模式(CCM)兩種工作模式。 在相同的功率輸出，連續(xù)工作模式在原副邊都呈現(xiàn)較小的峰值電感電流，這樣便可使用更低額定的原邊MOSFET 和副邊整流管[4]。 文中的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)工作在連續(xù)工作模式，電感電流紋波率Krp(電感電流波動(dòng)值與最大電流值之比)為0.9，反激變換器工作在深度連續(xù)工作模式。

2.2.2 平面變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)PCB 平面變壓器的優(yōu)勢(shì)

印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)型變壓器，稱高頻PCB 平面變壓器， 是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)， 其 “繞組” 是利用印制電路板上的Trace 做導(dǎo)線繞組，可省去繞組骨架，使開(kāi)關(guān)電源變壓器的體積大為減小，特別是高度可得到有效降低，使超薄開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)成為可能。PCB 平面變壓器可有效減少在高頻時(shí)由鄰近效應(yīng)和肌膚效應(yīng)產(chǎn)生的渦流損耗，增強(qiáng)導(dǎo)電性能，增大電流密度， 有效提高變壓器的轉(zhuǎn)換效率和功率密度。同時(shí)因PCB 繞組的緊密耦合性，可有效減小漏感，同時(shí)因PCB 繞組的結(jié)構(gòu)特性，具有寄生參數(shù)固定的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)變壓器比較，其一致性更好控制[5]。

(2)變壓器匝比的求取和繞組匝數(shù)的設(shè)計(jì)

依據(jù)電源設(shè)計(jì)規(guī)格要求，設(shè)在最小輸入電壓90 VAC時(shí)，整流輸出電壓平均值為100 V，最小電壓為73 VDC，由輸出電壓19.7 V，最大占空比58%，根據(jù)式(2)，求變壓器最大匝比：

式中，Dmax為最大占空比，Vest_Rec為副邊整流二極管正向壓降。

求得變壓器最大匝比Nmax為5，可初步設(shè)變壓器原邊繞組Np=24 匝，副邊繞組Ns=5 匝。

根據(jù)反激變換器輸入輸出電壓關(guān)系，計(jì)算實(shí)際工作占空比D 為：

式中，VinDC_av為整流濾波后直流電壓的平均值。

(3)反激變壓器原邊感量

依據(jù)輸入輸出功率守恒原則，設(shè)電感電流紋波率Krp=0.9，變壓器轉(zhuǎn)換效率為ηTrans=0.95,可依據(jù)下式求得[6]電感平均電流Iave-P和紋波電流Irpp_P。

式中，Pin為輸入功率，Po為輸出功率。

根據(jù)輸入電壓除以原邊感量為電感電流上升的斜率，乘以導(dǎo)通時(shí)間為電感紋波電流，從而可以得出變壓器原邊感量Lp[7]：

式中，fs為開(kāi)關(guān)頻率。

2.2.3 平面變壓器磁芯的選取

設(shè)計(jì)反激變壓器(異步電感)與其他拓?fù)渥儔浩饔兴煌枰黾託庀?，以此提高磁芯的能量?jī)?chǔ)存能力。若反激變壓器不開(kāi)氣隙，變壓器存儲(chǔ)很少的能量就將飽和，但若將氣隙開(kāi)得太大，又會(huì)增加變壓器的繞組匝數(shù)，從而產(chǎn)生較大的繞組銅損，且會(huì)增大繞組所占的窗口面積，因此需計(jì)算選擇合適的磁芯和氣隙大小，讓平面變壓器窗口面積得到有效利用。 PCB 平面變壓器可以采用下面的體積公式計(jì)算[8]：

計(jì)算得Ve=2 093×10-3cm3，文中電源選用EIR25/ACP40型磁芯，其磁芯參數(shù)如表1 所示。

為得到所需的感量，對(duì)磁芯氣隙AirGap 計(jì)算設(shè)定：

式中，Np為變壓器原邊匝數(shù)。

2.2.4 平面變壓器繞組電流和繞組設(shè)計(jì)

(1)變壓器原邊電流

以原邊平均電流(Iave_P)和紋波電流(Irpp_p)為基礎(chǔ)，依據(jù)電流有效值定義，推導(dǎo)計(jì)算求得原邊電流(Irms_P)為：

表1 磁芯材料參數(shù)

(2)變壓器副邊電流

先求副邊紋波電流Irrp_s，再以副邊平均電流,即輸出電流(Io)和紋波電流(Irrp_s)為基礎(chǔ)，依據(jù)電流有效值定義，推導(dǎo)計(jì)算求得副邊電流(Irms_s)為：

(3)設(shè)PCB 繞組電流密度為J=30 A/mm2，原邊繞組印制線厚度(Hp)為0.056 mm，副邊繞組印制線厚度(Hs)為0.089 mm，則計(jì)算的原邊繞組Trac 寬度(Wp)為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果， 選取原邊繞組Trace 寬度為0.508 mm， 副邊繞組Trace 寬度為1.524 mm。

2.3 開(kāi)關(guān)管所受的電壓壓力

開(kāi)關(guān)管所受的電壓壓力(Vds)為輸入最大直流電壓(VDCmax)和副邊反饋電壓(Vreflect)與被鉗位后的漏感震蕩電壓(Vclamp)三部分電壓之和。 其中副邊反饋電壓為原邊開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸出電壓通過(guò)變壓器反饋到原邊的電壓，被鉗位后的漏感震蕩電壓(Vclamp)為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間，由變壓器漏感和開(kāi)關(guān)管輸出電容串聯(lián)產(chǎn)生震蕩產(chǎn)生的電壓，被RCD 電路吸收鉗位后的電壓。 通過(guò)電容吸收、二極管鉗位、電阻消耗，將漏感能量釋放掉，但要注意RCD 吸收鉗位不能過(guò)猛，否則將成為一個(gè)吸收激磁電感能量的負(fù)載。 設(shè)該電壓被RCD 鉗位電路鉗位后的電壓為120 V，計(jì)算開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為：

根據(jù)計(jì)算的電流和電壓值，開(kāi)關(guān)管選用英飛凌公司的TIPD60R385CP(7A/600V/0.385ohm)MOSFET。

2.4 輸出電容的計(jì)算及設(shè)計(jì)

依據(jù)電容伏安關(guān)系，設(shè)輸出電壓紋波峰峰值Vrp為200 mV，則可得輸出電容容值為：

式中，T 為開(kāi)關(guān)周期，D 為占空比。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，文中開(kāi)關(guān)電源的輸出電解電容選用Rubycon 低ESR 的680 μF/25 V 電 解 電 容。

3 高頻PCB 平面變壓器設(shè)計(jì)

3.1 PCB 平面變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)尺寸

反激變壓器磁芯EIR25 的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 變壓器磁芯結(jié)構(gòu)尺寸如表2 所示。

圖1 反激變壓器磁芯結(jié)構(gòu)

表2 磁芯結(jié)構(gòu)尺寸

3.2 PCB 平面變壓器的繞組形狀

依據(jù)磁芯的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行平面變壓器PCB 的設(shè)計(jì)，圓形繞組較矩形繞組利用率高，因此本文采用PCB 圓形繞組進(jìn)行設(shè)計(jì)。 變壓器PCB 繞組借鑒傳統(tǒng)變壓器三明治繞法來(lái)減小變壓器的漏感，從而減小功率開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，緩解吸收電路壓力，間接地提高了電源的效率[9-10]。 PCB 平面變壓器繞組結(jié)構(gòu)如表3 所示。

初級(jí)繞組分為4 層，每層6 匝，次級(jí)繞組同樣也為4層，輔助繞組2 層，每層4 匝，初次級(jí)和輔助繞組層間連接通過(guò)打過(guò)孔進(jìn)行連接。 采用三明治繞法進(jìn)行繞制，以此來(lái)增加初級(jí)繞組與輔助繞組和次級(jí)繞組的耦合度，從而減少漏感。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)厚度僅為2 cm，功率密度達(dá)500 kW/m3，滿足小巧、輕薄、高功率密度、高變換效率、高可靠性、開(kāi)關(guān)電源綠色化發(fā)展要求。

4.1 輸出電壓穩(wěn)態(tài)特性

低壓115 V，高壓230 V 輸入時(shí)，電源輸出紋波電流如表4 所示，高低壓輸入時(shí)紋波電壓峰峰值小于200 mV。

4.2 效率

高低壓輸入測(cè)試各功率點(diǎn)效率，記錄測(cè)試結(jié)果，繪制高低壓效率曲線如圖2 所示，1/4 載以上平均效率大于87%。

表3 PCB 平面變壓器繞組結(jié)構(gòu)

表4 高低壓輸入時(shí)輸出電壓紋波

圖2 高低壓效率曲線

5 結(jié)論

PCB 平面變壓器能有效減小開(kāi)關(guān)電源體積、提高其功率密度。 本文結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)，選用反激變換器為主電路，設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)19.5 V/2.31 A 的超薄開(kāi)關(guān)電源，厚度僅為2 cm，體積為9 cm×5 cm×2 cm。 闡述了變壓器繞組匝比、各繞組匝數(shù)、占空比、原邊繞組感量的計(jì)算和選取、變壓器磁芯的選擇、變壓器氣隙大小的計(jì)算，對(duì)PC 平面變壓器繞組的寬度厚度以及繞制方式等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該電源寬電壓輸入時(shí)，紋波峰峰值小于200 mV，平均效率可達(dá)87%，功率密度高達(dá)500 kW/m3。