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2013年第09期反激式开关电源的电路设计与参数计算陈建林王冬剑刘江南(中国电子科技集团公司第三十六研究所浙江嘉兴314033CircuitDesignandParameterCalculationofFlybackSwitchingPowerSupplyCHENJian-linWANGDong-jianLIUJiang-nan(The36thInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,JiaxingZhejiang314033,China【摘要】反激式开关电源以其简单、轻巧、实用等特性,在工程技术中得到广泛应用。本文在简要介绍开关电源拓扑结构的基础上,详细分析脉冲变压器的参数设计和MOS管的选型要求,同时介绍控制回路和吸收电路的参数计算,并对设计方案进行实验验证。结果表明,所设计的反激式开关电源性能稳定、可靠性高。【关键词】反激;开关电源;脉冲变压器;吸收电路ABSTRACT:Duetothecharacteristicofsimple,legerityandutility,flybackswitchingpowersupplyiswidelyusedinengineering.Thistextfirstlyintroducesthetopologyofswitchingpowersupplybriefly,thenanalysesparameterdesignofpulsetransformerandperformancerequirementofMOSFETindetail,parameterdesignofcontrolandabsorbercircuitarealsointroduced.Experimentresultsindicatethatflybackswitchingpowersupplydesignedinthistextisstableandreliable.Keywords:Flyback;SwitchingPowerSupply;PulseTransformer;AbsorberCircuit引言开关电源具有效率高、体积小、重量轻等特点,成为稳压电源的重要发展方向之一,获得日益广泛的应用。作为开关电源中的重要分支,反激式开关电源占据开关电源中的大部分市场份额,具有很大的研究价值。本文设计了一种用于电动汽车的单端反激式小功率开关电源,输出功率12W(12V,1A。采用ST公司的UC3842输出固定频率65KHz的PWM波,驱动N沟道MOS管IRF640,实现电流电压双闭环控制,改善输出电压的稳定性和动态特性。1.开关电源拓扑简述开关电源主要分为非隔离式和隔离式两大类,非隔离式是指输入与输出之间具有电气连接,没有相互隔离;隔离式是指输入与输出之间没有电气连接,通过脉冲变压器的磁耦合方式传递能量。非隔离式开关电源的拓扑结构主要包括BUCK型、BOOST型和BUCK-BOOST型;隔离式开关电源的拓扑结构主要包括正激式和反激式。在目前的开关电源市场中,隔离式开关电源占有较大的市场份额。隔离式开关电源的两种拓扑结构如图1和图2所示。图1所示为单端正激式开关电源的拓扑结构图,正激式开关电源是指当开关管导通的时候,能量从脉冲变压器的原边向副边释放,当开关管关闭的时候,能量停止释放。图2所示为单端反激式开关电源的拓扑结构,反激式开关电源是指当开关管导通的时候,原边储存能量,当开关管关闭的时候,原边释放能量,提供负载所需的功率。由于单端反激式开关电源成本低廉、结构简单,故在400W以下的小功率开关电源市场中占有主导地位。图1单端正激式开关电源拓扑结构图2单端反激式开关电源拓扑结构2.主体电路设计本文设计的反激式开关电源额定输入电压DC24V,输出电压DC12V,用于为电动汽车助力转向控制单元提供稳定可靠的直流电压。系统由主回路和控制回路两大部分组成(如图3所示,主回路包括脉冲变压器、MOS管及其外围电路;控制回路主要包括PWM产生电路和电流电压反馈电路。图3反激式开关电源原理图2.1主回路器件定型主回路的核心器件包括脉冲变压器和MOS管,两者的合理选型对整个开关电源的性能和使用寿命具有重要影响。根据实际要求,所设计开关电源的输入电压范围为VImin=18V,VImax=36V,输出电压V0=12V,输出功率P0=12W,效率η=80%,工作频率f=65KHz。在不考虑漏感尖峰的条件下,反射电压VF决定MOS管的耐压值,取反射电压VF=20V,加上30V的安全余量,则MOS管的最低耐压值为86V。反射电压VF与输出电压V0共同决定脉冲变压器的匝数比n,VF=n(V0+1(1式(1中,假设快恢复二极管的压降为1V,则原副边匝数比n≈1.54。根据伏秒平衡原理,(VImin-1Ton=(V0+1nTr(2式(2中,假设MOS管和快恢复二极管的压降均为1V,Ton和Tr分别表示脉冲变压器的导通时间和复位时间。为保证电路工作于断续模式且预设20%的安全余量,Ton和Tr需满足如下关系,Ton+Tr=0.8T(3故脉冲变压器的最大导通时间Ton≈6.66uS,最大占空比Dmax≈43.3%。原边电感L=(VIminTon20=(18×6.66×10-62≈31.1(uH(4原边峰值电流I=VT=18×6.66×10-6≈3.85(A(5原边电流有效值Irms=Ion姨=3.85×姨≈1.46(A(6◇研究与设计◇2932013年第09期副边电流有效值I'rms=Inr姨=3.85×1.54×姨≈2.08(A(7变压器磁芯选择EE25/19,实效截面面积Ae=40.0mm2,磁感应强度Bw=0.12T。原边匝数N=VTew=18×6.66×10-6-6≈25.0(8副边匝数N'=N=25.0=16.2(9综上所述,MOS管选型参数如下:VDS≥86V,ID≥5A,实际选用的MOS管为FAIRCHILD公司的IRF640。变压器设计参数如下:磁芯型号EE25/19,原边匝数N=25匝,线径φ=0.6mm,电感量L=31.1uH,副边匝数N'=17匝,线径φ'=0.7mm。2.2控制回路设计控制回路的主要作用是输出PWM波,控制MOS管的导通和关断时间,核心芯片采用ST公司的UC3842,该芯片采用固定频率、脉宽可调的控制方式,实现电压电流的双闭环控制。内部振荡器的工作频率由图3中的阻容器件R3和C3决定,f=1.72R3×C3(10按照设计要求,系统工作频率65KHz,故可取R3=12KΩ,C3=2.2nF。系统上电后,电容C1通过电阻R1充电,当达到UC3842的启动电压16V时,电路开始正常工作。UC3842内部误差放大器的反向输入端通过电阻R4接地,误差放大器的输出端接电压反馈光耦P621的输出端,经内部二极管降压及电阻分压后,提供电流比较器的基准电压。在一个开关周期开始时,UC3842的6脚输出高电平,驱动MOS管开通,当变压器输出电压或原边电流上升到超过设定值时,内部电流比较器发生反转,6脚输出低电平,MOS管开通时间结束。由此可见,UC3842输出PWM的占空比是由误差放大器的输出电压及变压器原边电流取样信号共同决定。误差放大器的输出电压由电压反馈回路决定,电压反馈回路包含三端稳压器TL431、光耦P621及相关外围电路,如图3所示。当变压器输出电压增大时,光耦原边电流增大,光耦副边等效电阻减小,输出电流在该等效电阻上产生的压降减小,从而输出占空比减小,达到稳压的目的。变压器原边电流取样信号用于实现系统的短路保护,通过串接于主回路中的取样电阻R8,将原边电流信号转换为电压信号送入UC3842的3脚,利用3脚电压达到1V后关闭输出来实现系统的短路保护,实际电路中R8取值为0.39Ω,峰值电流限制在2.56A以内。2.3吸收电路设计反激式开关电源在开关管的关断瞬间将变压器原边电感中的能量转移到副边输出,但因变压器漏感的存在和其他分布参数的影响,能量不能实现完全传递,因而在开关管关断的瞬间会产生很高的尖峰电压,这个尖峰电压严重威胁着开关管的正常工作,必须采取措施加以抑制。电压尖峰的吸收电路有多种,本文采用简单实用的RC无损吸收,获得较好的吸收效果。由于吸收电路用于改善变压器漏感和寄生参数引起的波形变异,故应在实际电路设计装配完成之后进行设计,即从已确定的印制板、变压器、MOS管、整流器等的参数来构建吸收电路,在理论计算的基础上进行经验设计,以期获得最佳的吸收效果。RC吸收电路的设计步骤如下:(1通过示波器测量未接吸收电路时的振荡信号周期T0=129.2nS;(2将高频电容跨接在变压器一次绕组的两端,使振荡周期变为原来的3倍,确定此时的高频电容值C0=2.0nF,振荡周期T0'=388.1nS;(3确定与电容串联的电阻阻值:R0=12πf0C0=10.3(Ω(11实验表明,有多种RC组合均可产生较为满意的吸收效果,但上述组合理论上能够产生最小的损耗,越大的电阻和越小的电容产生的损耗就越小。实际电路中取如下RC参数时,吸收效果最好:R0=27Ω,C0=2.2nF。3.实验验证图4~图7是本文设计的反激式开关电源在带载0.6A时的示波器实测波形,由图可知,电源启动时间10.5mS,PWM波占空比为40.7%,电压尖峰值为25V,变压器反射电压20V,MOS管承受的最高开关应力为70V,电流采样电阻反馈的电压值为0.7V。通过上述数据分析可知,本文所设计的反激式开关电源达到设计预期,满足所有的参数设计要求,具有一定的实用价值。图4启动过程动态响应曲线图5MOS管栅极驱动电压波形图6MOS管漏源极电压波形图7电流采样电阻电压波形结束语反激式开关电源以其简单性、轻巧性和实用性,在工程领域得到了广泛的应用,带来了很高的经济效益。本文以反激式开关电源为研究对象,主要完成以下4项工作:①脉冲变压器和MOS管定型;②开关电源控制回路设计;③电压尖峰吸收电路设计;④对所设计的电路进行实验验证和参数分析。结果表明,本文设计的反激式开关电源在电动汽车助力转向控制单元的实际使用过程中,各项指标均能满足设计要求,具有良好的性能和较高的可靠性。参考文献:[1]房绪鹏,郭良兵等.基于UC3842的反激式开关电源设计[J].山东科技大学学报(自然科学版,2011,30(4:99-104.[2]詹艳军,杨笔锋,涂永生.基于UC3842反激式开关电源的设计[J].电源技术,2008,3(1:130-131.[3]王志强,肖文勋,虞龙等译.开关电源设计[M].第三版.北京:电子工业出版社,2010.[4]徐德鸿等译.开关电源设计指南[M].第二版.北京:机械工业出版社,2004.[5]龚绍文译.变压器与电感器设计手册[M].第三版.北京:中国电力出版社,2008.电◇研究与设计◇