開關(guān)電源之反激式開關(guān)電源相關(guān)設(shè)計(jì)專題

開關(guān)電源之反激式開關(guān)電源相關(guān)設(shè)計(jì)專題8開關(guān)電源

8.1開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)

8.2開關(guān)電源的控制方式

8.3開關(guān)電源的應(yīng)用8開關(guān)電源·引言■在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電路需要±12V、±15V等，這就需要專門設(shè)計(jì)電源裝置來(lái)提供這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。

■線性電源和開關(guān)電源◆圖1所示為線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。◆圖2所示為開關(guān)電源，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波?！糸_關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。

圖1線性電源的基本電路結(jié)構(gòu)

圖2半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)

8開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖3開關(guān)電源的能量變換過(guò)程■交流輸入的開關(guān)電源

◆交流輸入、直流輸出的開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電?！粽麟娐菲毡椴捎枚O管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用大電容濾波，較為先進(jìn)的開關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(PowerFactorCorrection-PFC)電路。

◆高頻逆變－變壓器－高頻整流電路是開關(guān)電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路?！舾咝阅荛_關(guān)電源中普遍采用了軟開關(guān)技術(shù)?！艨梢圆捎媒o高頻變壓器設(shè)計(jì)多個(gè)二次側(cè)繞組的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，但是僅能選擇1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這1路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低，而且其中1路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化。

圖4多路輸出的整流電路

開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)■直流輸入的開關(guān)電源◆也稱為直流－直流變換器(DC-DCConverter)，分為隔離型和非隔離型，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boost等電路?！糌?fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-PointOftheLoadregulator)?僅僅為1個(gè)專門的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流－直流變換器。?計(jì)算機(jī)主板上給CPU和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的POL。◆非隔離的直流－直流變換器、尤其是POL的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用同步Buck(SyncBuck)電路，該電路的結(jié)構(gòu)為Buck，但二極管也采用MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來(lái)降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。圖5a)同步降壓電路

圖6b)同步升壓電路

8開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖7通信電源系統(tǒng)

■分布式電源系統(tǒng)

◆在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個(gè)開關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了分布式的電源系統(tǒng)?！羧鐖D7，一次電源完成交流－直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機(jī)中每塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將48V轉(zhuǎn)換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作

?！粢淮坞娫床捎枚鄠€(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個(gè)開關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開關(guān)電源有時(shí)也被成稱為“模塊”，當(dāng)其中個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為“冗余”。

8開關(guān)電源的控制方式圖8開關(guān)電源的控制系統(tǒng)

圖9電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

■典型的開關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖10-26所示，采用反饋控制，控制器根據(jù)誤差e來(lái)調(diào)整控制量vc。

■電壓模式控制◆圖8所示即為電壓模式控制，僅有一個(gè)輸出電壓反饋控制環(huán)?！羝鋬?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的控制電路中的電流?！鲭娏髂Ｊ娇刂?/p>

◆在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流反饋控制環(huán)，電壓控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和過(guò)載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。

開關(guān)電源的控制方式圖10峰值電流模式控制的原理

?峰值電流模式控制

√峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖10a所示，主要的波形如圖10b所示。√基本的原理：開關(guān)的開通由時(shí)鐘CLK信號(hào)控制，CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使RS觸發(fā)器置位，使開關(guān)開通；開關(guān)開通后iL上升，當(dāng)iL達(dá)到電流給定值iR后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。

a)b)開關(guān)電源的控制方式圖11平均電流模式控制的原理

a)b)√峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著M1和M2的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控制電感電流平均值的開關(guān)電源來(lái)說(shuō)是不能允許的；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，但電感電流中通常含有一些開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，容易造成比較器的誤動(dòng)作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。?平均電流模式控制√平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號(hào)uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控制開關(guān)的通與斷。

開關(guān)電源的應(yīng)用■開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、DVD播放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通常僅有幾十W～幾百W；手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開關(guān)電源，但功率僅有幾W；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)kW～數(shù)百kW；工業(yè)上也大量應(yīng)用開關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。

■開關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學(xué)過(guò)程等，功率可達(dá)幾十～幾百kW；在X光機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。

Converters&theirpower反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

Flybackconverter

反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

第1章、電路結(jié)構(gòu)

第2章、控制器

第3章、變壓器設(shè)計(jì)

第一章、電路結(jié)構(gòu)單管反激電路基本結(jié)構(gòu)雙管反激電路基本結(jié)構(gòu)

單管反激電路實(shí)例(S012B系列原理圖)輸入電路１、輸入端噪音濾波電路和輸入過(guò)流保護(hù)電路如下所示：

輸入端噪音濾波電路主要作用是防止電源對(duì)電網(wǎng)的干擾和防止電網(wǎng)對(duì)電源的干擾。電源對(duì)電網(wǎng)的干擾和影響的測(cè)試主要有諧波Harmonic、傳導(dǎo)噪音Conduct、輻射噪音Radiation、功率因數(shù)電網(wǎng)對(duì)電源的干擾測(cè)試主要是靜電ESD、雷擊SURGE、電壓跌落Drop、電快速瞬變脈沖群EFT

輸入過(guò)流保護(hù)主要是靠保險(xiǎn)管、保險(xiǎn)絲繞線電阻的過(guò)電流過(guò)功率熔斷特性。保險(xiǎn)管主要用在高輸出功率的電源上，繞線電阻用在低輸出功率的電源上。保險(xiǎn)管重要的參數(shù)有額定電流、熔斷時(shí)間、分?jǐn)嗄芰?，額定電流大、熔斷時(shí)間長(zhǎng)、分?jǐn)嗄芰Φ停菀渍压鼙?，這在安全認(rèn)證時(shí)是不允許的，因此，要盡量選擇分?jǐn)嗄芰Ω叩谋ｋU(xiǎn)管；保險(xiǎn)絲繞線電阻重要的參數(shù)主要是過(guò)功率熔斷時(shí)間，一般加在電阻兩端的電壓與電流的乘積為電阻標(biāo)稱功率的25倍時(shí)，要在60S內(nèi)熔斷保險(xiǎn)管、保險(xiǎn)電阻對(duì)SURGE特性的影響是非常大的。同時(shí)SURGE和安全要求又是矛盾的，還要滿足能效要求，因此，保險(xiǎn)管、保險(xiǎn)電阻的參數(shù)選取非常關(guān)鍵2、輸入浪涌電流的抑制浪涌電流主要用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、大功率電阻、單向可控硅，繼電器等元件來(lái)抑制15W以下的電源浪涌電流小于30A15-60W電源浪涌電流小于50A60W以上的電源浪涌電流根據(jù)所選元件和電網(wǎng)限流規(guī)格來(lái)定3、輸入交流的整流主要有橋式整流和半波整流4、直流濾波主要有電容濾波和π型濾波，π型濾波多用于小功率電源的EMI的抑制。5、輸出整流主要有二極管整流和場(chǎng)效應(yīng)管同步整流，濾波主要有電容濾波和π型濾波6、保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)分可恢復(fù)和閉鎖兩種，一般設(shè)計(jì)成“フ”字形下垂特性；過(guò)壓保護(hù)分可恢復(fù)、閉鎖和自殺式等三種過(guò)溫保護(hù)分可恢復(fù)和閉鎖兩種短路保護(hù)也分可恢復(fù)和閉鎖兩種PWM控制芯片(Fairchildsemi的FSDM0265R)

單端反激開關(guān)電源的變壓器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)耦合電感，它要承擔(dān)著儲(chǔ)能、變壓、傳遞能量等工作。下面對(duì)工作于連續(xù)模式和斷續(xù)模式的單端反激變換器的變壓器設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。1、已知的參數(shù)根據(jù)需求和電路的特點(diǎn)確定，包括：輸入電壓Vin、輸出電壓Vout、每路輸出的功率Pout、效率η、開關(guān)頻率fs(或周期T)、線路主開關(guān)管的耐壓Vmos。

2、計(jì)算在反激變換器中，反激電壓Vf與輸入電壓之和不能高過(guò)主開關(guān)管的耐壓，同時(shí)還要留有一定的裕量5%。最大允許的反激電壓由下式確定：

Vf=VMos-VinDCMax-電壓裕量

–漏電感尖峰電壓（2.1）漏電感引起的尖峰，一般有50V-100V左右。第二章、變壓器設(shè)計(jì)

〈對(duì)于90-264V的輸入電壓范圍，反激電壓可按60V-80V來(lái)選取，選70V左右比較合適，反激電壓選得高，初次級(jí)匝比就大，初級(jí)側(cè)的Mosfet承受的反壓就高，但溫升會(huì)低一點(diǎn)，次級(jí)側(cè)的整流管承受的反壓會(huì)低一點(diǎn)，溫升也會(huì)低一點(diǎn)，此時(shí)變壓器的溫升會(huì)高一點(diǎn)（此時(shí)開關(guān)管占空比大，在相同工作頻率下變壓器初級(jí)電感量比較大，需要的能量也就要多一些，變壓器的溫升會(huì)高一點(diǎn)）；反激電壓選得低，匝比就小，則Mosfet承受的反壓就低，但溫升會(huì)高一些，次級(jí)側(cè)的整流管承受的反壓會(huì)高一些，溫升也會(huì)高一些，此時(shí)變壓器的溫升會(huì)低一些〉

實(shí)際設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)需根據(jù)所選半導(dǎo)體元件、變壓器、結(jié)構(gòu)來(lái)找一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。反激電壓和輸出電壓的關(guān)系由原、副邊的匝比確定。所以確定了反激電壓之后，就可以確定原、副邊的匝比了。原、副邊的匝比n=Np/Ns=Vf/（Vout+Vd）（2.2）另外，反激電源的最大占空比出現(xiàn)在最低輸入電壓、最大輸出功率的狀態(tài)，（Vinmin一般選110V-120V）根據(jù)在穩(wěn)態(tài)下，變壓器的磁平衡，得下式：

Vinmin×DMax=Vf×(1-DMax)→DMax=Vf/(Vinmin+Vf)（2.3）設(shè)在最大占空比時(shí)，當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，原邊電流為Ip1，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，原邊電流上升到Ip。若Ip1為0，則說(shuō)明變換器工作于臨界模式或斷續(xù)模式，否則工作于連續(xù)模式。連續(xù)模式時(shí)初級(jí)電流波形斷續(xù)或臨界模式時(shí)初級(jí)電流波形初級(jí)ＭOSFET漏極的電壓波形如下圖示對(duì)應(yīng)臨界模式

對(duì)應(yīng)非連續(xù)模式

對(duì)應(yīng)連續(xù)模式由能量守恒，得到下式：

1/2?(Ip1+Ip)?DMax?VinDCMin=Pout/η(2.4)

令K=Ip1/Ip，則Ip1=K?Ip

當(dāng)K=0，則Ip1=0，此時(shí)工作在臨界或斷續(xù)模式當(dāng)0＜K＜1，，此時(shí)工作在連續(xù)模式

K值的選取最好是當(dāng)輸入電壓為230V,電路工作在臨界模式，即K=0,此時(shí)的效率是最高的；那么,當(dāng)輸入電壓為90V時(shí),電路工作在連續(xù)模式，K≈0.25左右。變換器的初級(jí)繞組電流，初級(jí)電感量，初級(jí)匝數(shù)由以下公式可以求出

(2.5)

(2.6)

(2.7)

為了避免磁芯飽和，應(yīng)該在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀叮瑲庀兑话愦笥?.01Cm，功率大，則氣隙要大。由以上可得磁芯參數(shù)：

(2.8)

根據(jù)求得的Ae值選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長(zhǎng)寬之比比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時(shí)可以減小漏感。有了磁芯需再較正原邊的匝數(shù)。根據(jù)下式：

(2.9)

再根據(jù)原、副邊的匝比關(guān)系可以求出副邊的匝數(shù)。有時(shí)求的匝數(shù)不是整數(shù)，將副邊的匝數(shù)取整后再修改原邊匝數(shù)在上式中：

Lg為氣隙長(zhǎng)度，單位為cmNp為原邊匝數(shù)，

Ae為磁芯的截面積，單位cm2Lp為原邊電感量，單位為H(亨利)Bw為工作磁通密度，單位為高斯

（Bw一般選0.7Bs以下的值，Bs是磁芯最大磁通密度，在磁芯的手冊(cè)中Bs的單位是mT毫特斯拉，1mT=10GS高斯）初級(jí)繞組電流有效值Iprms：

(2.10)次級(jí)繞組電流有效值Isrms：

(2.11)銅線電流密度按如下選取:(絕緣等級(jí)CALLB)5W以下：取2

;5W-24W：取2

;24W-50W：取2

;50W以上：取2

甚至更??；

(在變壓器加有散熱片時(shí)可選大一點(diǎn),繞組在線槽最里面，要選小一點(diǎn),在線槽最外面，可選大一點(diǎn),如要求變壓器溫升小,則電流密度要選小一點(diǎn))。次級(jí)導(dǎo)線截面積計(jì)算也可以按輸出直流每1安培需要的導(dǎo)線截面積0.125mm2(0.4mm)、0.16mm2(0.45mm)、

0.196mm2(0.5mm)、0.238mm2(0.55mm)來(lái)計(jì)算，功率大輸出電流大取大值,否則取小值,如輸出12V/5A，取0.238mm2(0.55mm)來(lái)計(jì)算，導(dǎo)線總截面積1.19mm2，相當(dāng)于2根0.85mm導(dǎo)線截面積.

以上只作為參考，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)骨架規(guī)格,溫升要求適當(dāng)調(diào)整。氣隙長(zhǎng)度按如下選?。?W以下：取0.01-0.02cm;5W-24W：取0.02-0.04cm;24W-50W：取0.03-0.05cm;50W以上：取0.03cm以上.銅線線徑按如下公式計(jì)算:(2.12)以上是考慮成本因數(shù)的一個(gè)合適選擇，當(dāng)磁芯截面積比較大時(shí)，氣隙長(zhǎng)度可按下限選擇；截面積小，要選大一點(diǎn)，否則，磁芯易飽和。S012B系列變壓器設(shè)計(jì)步驟已知條件1、輸入電壓Vin:90Vac-264Vac2、輸出電壓Vout:12V3、輸出電流Iout:1.25A4、Mosfet耐壓Vmos:650V5、開關(guān)頻率f：67KHz6、FSDM0265R最大輸出功率：

13W（密封無(wú)散熱片）

20W（開放式無(wú)散熱片）以上說(shuō)明IC完全能輸出15W功率，在加散熱片情況下做到15W是可行的參數(shù)計(jì)算1、最大允許的反激電壓

Vf=600V-373V-30V

–100V=97V

選反激電壓Vf為75V,則Mosfet的漏極最高電壓為:373V+100V+75V=548V<617.5V,是比較安全的。2、原、副邊的匝比n

次級(jí)選用3A/100V肖特基整流，則1.25A輸出電流時(shí)的正向電壓Vd近似為0.6V

匝比n=Np/Ns=Vf/（Vout+Vd）=75/12.6≈5.953、最大占空比DMax

Vinmin=90V×1.33=120V

DMax=Vf/(Vinmin+Vf)=7