一種可變寬輸出電壓范圍的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

耿仁寶 劉林 趙杰

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

開關(guān)電源為電子系統(tǒng)提供二次供電，在大多數(shù)電子系統(tǒng)中，開關(guān)電源的輸出電壓多是固定的或可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行微調(diào)，在某些特殊的電子系統(tǒng)中，要求開關(guān)電源的輸出電壓可以進(jìn)行寬范圍調(diào)整，本文采用單端正激電路拓?fù)?，諧振去磁方式，通過電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為整機(jī)系統(tǒng)提供了寬電壓輸出、高效率、高可靠的二次電源。

2 拓?fù)浞桨冈O(shè)計(jì)

本文所要完成的電路，主要技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示，設(shè)計(jì)采用單端正激電路拓?fù)?，諧振方式去磁，實(shí)現(xiàn)寬輸出電壓范圍、高效率開關(guān)電源設(shè)計(jì)。

表1：主要技術(shù)指標(biāo)要求

2.1 單端正激拓?fù)湓?/h3>

單端正激拓?fù)潆娐氛w結(jié)構(gòu)比較簡單，初級(jí)只使用一支N溝道功率MOS管，在中小功率輸出的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。單端正激電路拓?fù)淙鐖D1所示，變壓器T1用于隔離功率變換，初級(jí)功率MOS管VT處于周期性的開通與關(guān)閉狀態(tài)，次級(jí)輸出端電感Lo用于能量存儲(chǔ)及傳遞作用，肖特基二極管VD1為次級(jí)整流作用，肖特基二極管VD2為次級(jí)續(xù)流作用，輸出電容Co為輸出濾波電容。

圖1：單端正激電路拓?fù)鋱D

單端正激拓?fù)涞淖儔浩鞔判竟ぷ髟贐-H曲線的第一象限，磁芯存在飽和的潛在問題，需要用合適的方式進(jìn)行去磁，變壓器導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)的磁化能量，需在關(guān)閉期間消耗掉或轉(zhuǎn)換掉。如未能有效去磁，變壓器磁芯在多個(gè)開關(guān)周期后，因磁化能量越積越多，導(dǎo)致變壓器的工作點(diǎn)上移，容易造成變壓器磁芯飽和而產(chǎn)生接近短路的狀態(tài)，最終會(huì)導(dǎo)致功率MOS管過應(yīng)力燒毀，因此單端正激拓?fù)湫杓尤氪艔?fù)位電路。

單端正激主要磁復(fù)位電路包括：去磁繞組、RCD嵌位、有源嵌位、諧振去磁等,主要功能均是通過相應(yīng)去磁電路，在初級(jí)主功率MOS管截止期間，將磁芯中剩余的磁化能量進(jìn)行消耗或轉(zhuǎn)換，即進(jìn)行去磁處理，各磁復(fù)位電路優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

綜合表2，諧振去磁方法具有電路簡單，去磁效果好的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力也有很好的吸收作用。

表2：磁復(fù)位電路優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2.2 諧振去磁原理

諧振去磁是利用元器件的分布參數(shù)，在初級(jí)主功率MOS管截止后，隔離變壓器的自感與電路中的分布電容進(jìn)行諧振，作用是將變壓器磁芯中的剩余磁化能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，達(dá)到去磁目的，諧振去磁電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2中，Vin為輸入電壓，電容Ct為變壓器初級(jí)繞組的等效電容，電感Lm為變壓器初級(jí)線圈的等效電感，電容Cs為功率MOS管Q1的漏-源結(jié)電容及外接并聯(lián)電容之和，電容C1為肖特基整流二極管Dr的結(jié)電容，C1可以等效到變壓器次級(jí)變?yōu)镃2，等效電容C2與Ct屬并聯(lián)關(guān)系，等效后的去磁電路如圖3所示。

圖2：諧振去磁電路拓?fù)鋱D

圖3：諧振去磁電路等效初級(jí)電路圖

電容C1等效到初級(jí)電容C2關(guān)系為：

式（1）中Ns為次級(jí)匝數(shù)，Np為初級(jí)匝數(shù)。

將電容C2，Ct，Cs等效為1個(gè)電容，標(biāo)為電容Cr，則諧振頻率fr為：

設(shè)諧振時(shí)磁化電流為Ir，則電容Cr上的電壓應(yīng)力Vr為：

主功率MOS管Q1的最大電壓應(yīng)力Vds(max)為：

諧振去磁電路的主MOS管漏-源極電壓波形應(yīng)為光滑的半正弦波，在主MOS管截止期間，通過諧振參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效去磁，在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要在實(shí)際試驗(yàn)中根據(jù)主MOS管漏-源極波形再進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

單端正激、諧振去磁電路拓?fù)潆娐泛唵?，?duì)于小體積、高效率開關(guān)電源具有一定的優(yōu)勢(shì)，通過優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，可達(dá)到較高的綜合性能。

3 主要電路參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)開關(guān)電源來說，變壓器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵部分，也較為復(fù)雜，首先需要確定磁芯材料的類型、形狀、體積，再根據(jù)具體參數(shù)計(jì)算初、次級(jí)匝數(shù)及繞組線徑。

設(shè)計(jì)選用天通控股股份有限公司的TPW33-RM7/8磁芯，該磁芯結(jié)構(gòu)為RM型，材質(zhì)為TPW33材料，屬M(fèi)nZn功率鐵氧體，可應(yīng)用于中頻段（小于500kHz），具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、寬溫度、低損耗顯著優(yōu)點(diǎn)。

TPW33材料在常溫25℃的飽和磁通為0.52T左右，高溫100℃下為0.41T左右，再考慮到一定設(shè)計(jì)余量，此處取B為0.2T，查該磁芯居里溫度點(diǎn)大于220℃，Ae為38.91mm2。

變壓器原邊匝數(shù)Np計(jì)算公式如下：

再利用下面的公式（6）計(jì)算副邊繞組的匝數(shù)Ns為：

式（5），式（6）中：

f— 開關(guān)頻率(Hz)；

Ae— 有效磁路面積(mm2)

Vo—輸出電壓(V)

Vin-min—輸入電壓最小值（V）

Dmax—脈沖導(dǎo)通最大占空比

B—工作磁通密度（T）

通過上述公式可計(jì)算出變壓器的原、副邊匝數(shù)，然后再根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行具體優(yōu)化。

設(shè)計(jì)開關(guān)頻率f為300kHz，Dmax為0.45，Vin-min為18V，對(duì)于寬輸出電壓范圍的開關(guān)電源，設(shè)計(jì)時(shí)Vo需按輸出電壓最大值80V進(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過以上公式計(jì)算，可得變壓器初級(jí)為4匝，次級(jí)40匝，采用多線并繞，三明治繞法。

3.2 主MOS管參數(shù)設(shè)計(jì)

在開關(guān)電源工作時(shí)，初級(jí)主功率MOS管一直處于周期性的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)，配合變壓器用于能量轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)主功率MOS管參數(shù)時(shí)，需同時(shí)考慮電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力。

主功率MOS管電壓應(yīng)力計(jì)算見公式（4）所示，其中磁化電流為Ir計(jì)算公式如下：

根據(jù)公式（7），可將公式（4）主功率MOS管電壓應(yīng)力計(jì)算轉(zhuǎn)換如下：

式（7），（8）中，Lm變壓器初級(jí)電感量可通過計(jì)算得出，Vin為輸入電壓，D為占空比，f為開關(guān)頻率，Cr為等效初級(jí)電容可查參數(shù)計(jì)算可得。

其中Lm計(jì)算公式如下：

式（9）中AL為電感系數(shù)，查TPW33-RM7/8磁芯電感系數(shù)為3.7μH/匝平方，通過計(jì)算可得Lm的電感量約為60μH。

通過以上公式計(jì)算，主MOS管的最大電壓應(yīng)力在67V左右。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，需保證主MOS管的可靠工作，主MOS管電壓應(yīng)力參數(shù)需要進(jìn)行一定降額，設(shè)計(jì)選用西安龍飛公司LN10N004SJ型功率MOS管2只并聯(lián)使用，該器件VDS電壓能力為100V，ID電流能力為60A，導(dǎo)通電阻RDS(on)為3.7mΩ，Qg為52nC，可滿足產(chǎn)品使用要求。

3.3 諧振電容參數(shù)設(shè)計(jì)

等效后的去磁電路如圖3所示，電容Ct為變壓器初級(jí)繞組的等效電容，電容Cs為功率MOS管 Q1的漏-源結(jié)電容及外在并聯(lián)電容之和，電容C1為肖特基整流二極管Dr的結(jié)電容，C1可以等效到變壓器次級(jí)變?yōu)镃2，初級(jí)等效電容Cr的大致計(jì)算公式如公式（10）。

其中C1可以根據(jù)二極管參數(shù)表查到，Cs也可根據(jù)MOS管參數(shù)表查到，Ct可用常規(guī)方法進(jìn)行預(yù)計(jì)。

則諧振周期fr可計(jì)算公式如下：

設(shè)計(jì)需保證開關(guān)截止期內(nèi)能夠完成半個(gè)諧振周期的去磁過程，在理論分析的基礎(chǔ)上，也需根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)的漏-源極波形，通過調(diào)節(jié)主MOS管的外接并聯(lián)電容的大小，可以優(yōu)化成比較合適的諧振頻率，根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)際調(diào)試情況，實(shí)際選用510pF外接電容。

3.4 輸出整流續(xù)流二極管參數(shù)設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的輸出電壓范圍為40V～80V可調(diào)，按照最大輸出80V電壓，也即最大電壓應(yīng)力來考慮二極管的電壓應(yīng)力，電壓應(yīng)力公式計(jì)算如下：

中：VD—二極管電壓應(yīng)力(V)；

Vin-max— 輸入電壓最大值(V)，取輸入高端36V；

通過上式計(jì)算，可得二極管電壓應(yīng)力值為360V，實(shí)際開關(guān)電源輸出電流為1.5A，再考慮一定的元器件降額及二極管電壓尖峰情況，設(shè)計(jì)選用西安龍飛公司SiC肖特基二極管LN10S650AJ，主要性能為650V/10A，可滿足使用要求。

3.5 輸出電感參數(shù)設(shè)計(jì)

開關(guān)電源中輸出濾波電路的主要作用是將輸出整流級(jí)的直流脈沖電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，濾波電路中的L和C取值越大，越有利于減小電路的紋波。

設(shè)計(jì)電感紋波電流的峰峰值為輸出電流的20%，依據(jù)公式（13）可計(jì)算輸出電感值。

式中：Vo—輸出電壓(V)

D—占空比

f—開關(guān)頻率(Hz)

本文中開關(guān)電源輸出電壓范圍寬，為40V～80V可調(diào)，為滿足寬輸出電壓范圍，需同時(shí)

考慮在輸出電壓40V及輸出電壓80V時(shí)的輸出電感量要求。

當(dāng)輸出電感取大時(shí)，輸出電感紋波電流會(huì)變小，整流管的開關(guān)損耗也會(huì)降低，開關(guān)電源輸出紋波也會(huì)小，但在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，輸出電感一般受體積和成本的限制，取太大也不實(shí)際。產(chǎn)品實(shí)際選用天通控股公司TPW33-RM6AY磁芯，通過公式計(jì)算可得電感量約為600μH，設(shè)計(jì)輸出電感器采用多線并繞40匝。

3.6 輸出電容參數(shù)設(shè)計(jì)

f—開關(guān)電源頻率(Hz)

根據(jù)公式（14）式，計(jì)算的輸出電容值為理論最低容值，同時(shí)還應(yīng)考慮輸出電容的ESR情況，實(shí)際輸出電容還應(yīng)考慮一定余量，設(shè)計(jì)取為20μF，采用多種電容器進(jìn)行并聯(lián)。

4 樣品達(dá)到的性能

實(shí)際樣品經(jīng)參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，生產(chǎn)出的樣品經(jīng)指標(biāo)測(cè)試，各項(xiàng)性能良好，具有輸出電壓可變、輸出電壓范圍寬、效率高的顯著特點(diǎn)，樣品實(shí)測(cè)指標(biāo)詳見表3。

表3：主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到水平

從表3可以看出，該開關(guān)電源主要技術(shù)指標(biāo)性能良好，滿足技術(shù)指標(biāo)要求，具有輸出電壓可變、輸出電壓范圍寬、效率高的顯著特點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文介紹了一種可變、寬輸出電壓范圍的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，該開關(guān)電源模塊采用單端正激、諧振去磁技術(shù)，通過電路拓?fù)浞桨冈O(shè)計(jì)、變壓器設(shè)計(jì)、元器件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源的可變寬輸出、高效率、高可靠設(shè)計(jì)。