王朕 史賢俊 肖支才 張文廣

（海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東 煙臺 264001）

1 引言

磁性元件的體積和重量在開關(guān)電源中占據(jù)相當(dāng)大的比例，其重量通常占總重量的30%～40%、體積占總體積的30%～40%；降低開關(guān)電源的體積和重量、提高開關(guān)電源功率密度的一個重要方法，就是降低開關(guān)電源中必不可少的磁性元件—高頻變壓器的體積和重量。采用平面變壓器可大大降低開關(guān)電源體積和重量，提高其功率密度；因此，磁性元件平面化已成為提高開關(guān)電源功率密度的一個重要趨勢。此外，磁性元件還是影響開關(guān)電源輸出動態(tài)性能和輸出紋波的一個重要因素。同步整流技術(shù)采用了低通態(tài)電阻的MOSFET代替普通二極管進(jìn)行整流，可大大提高開關(guān)電源的效率；尤其是輸出電壓較低而輸出電流較高時，同步整流技術(shù)更具有不可替代的優(yōu)勢。

本文選用對稱半橋式電路為主電路、TL494為控制芯片，綜合采用平面變壓器和同步整流技術(shù)研制了一臺48 V/5 V(12 A)高功率密度開關(guān)電源，該電源具有過流、過載保護(hù)功能，還具有輸出電壓紋波?。M載時10 mV）、效率高（可達(dá)92%）和體積小等優(yōu)點。

2 開關(guān)電源設(shè)計

開關(guān)電源原理框圖如圖1所示，開關(guān)電源由主電路和控制電路兩大部分組成[1,2]。48 V直流電經(jīng)穩(wěn)壓和過流保護(hù)電路后輸入對稱半橋式變換電路，首先將穩(wěn)壓后的直流電變換成交流電，再經(jīng)高頻變壓器變壓后輸入全波同步整流電路變換成直流電，經(jīng)穩(wěn)壓濾波電路后變成恒定的+5 V直流電源；對+5 V輸出電源的電壓和電流進(jìn)行采樣，該采樣值輸入控制電路與預(yù)先設(shè)定的電壓值和電流值進(jìn)行比較實現(xiàn)穩(wěn)壓功能和過載保護(hù)功能；當(dāng)輸入電壓、輸出電壓或負(fù)載發(fā)生波動時，控制電路中的 PI調(diào)節(jié)電路可以迅速調(diào)節(jié)半橋式變換電路中開關(guān)管的脈沖占空比，使得輸出電壓迅速穩(wěn)定在5 V，從而提高開關(guān)電源的動態(tài)響應(yīng)性能。

圖1 開關(guān)電源原理框圖

2.1 主電路設(shè)計

開關(guān)電源主電路由穩(wěn)壓和過流保護(hù)電路、對稱半橋式變換電路[3]、同步整流電路[4,5]、穩(wěn)壓濾波電路和電流電壓采樣電路組成（圖1所示），其原理圖如圖2所示。電容C1、C2和C12和熔斷器FUSE構(gòu)成穩(wěn)壓和過流保護(hù)電路。電容C3、C4、C10和 C11、電阻 R9和 R10、MOSFET V1和 V2、平面變壓器T構(gòu)成對稱半橋式變換電路；其中，電容 C10和電阻 R9、電容 C11和電阻 R10分別構(gòu)成 V1和 V2的 RC緩沖電路，可有效降低 MOS管電壓變化率和開關(guān)損耗；電容C3和C4大小相等，因此，該電路具有動態(tài)響應(yīng)好、MOS管耐壓低等優(yōu)點。同步整流管 VSR1和 VSR2、電容 C7和C8、電阻R6和R7構(gòu)成同步整流電路；其中，VSR1和 VSR2為低通態(tài)電阻的 MOSFET，電阻R6和電容C7、電阻R7和電容C8構(gòu)成同步整流管的RC緩沖電路，可以減小整流管的電壓變化率和開關(guān)損耗，提高開關(guān)電源的效率。電感L和電容 C5和 C6構(gòu)成輸出濾波電路。電阻 R1～R6、理想運放 U1構(gòu)成電壓電流采樣電路；其中，電阻R1和 R2通過串聯(lián)分壓對輸出電壓進(jìn)行采樣；電阻R3～R6和理想運放U1對負(fù)載電流進(jìn)行采樣。

2.2 平面變壓器設(shè)計

平面變壓器相對于繞線變壓器具有寄生參數(shù)固定的優(yōu)點，其設(shè)計主要包括：磁芯結(jié)構(gòu)的選擇，氣隙的計算，最大占空比的計算，初次級繞組形狀、匝數(shù)、線寬和線間距的計算。本文設(shè)計的開關(guān)電源基本參數(shù)如下：輸入電壓為48±12 V、輸出電壓為5 V、輸出電流0A～12 A連續(xù)可調(diào)、紋波電壓小于15 mV。

圖2 主電路原理圖

圖3 平面變壓器初次級繞組印制板圖形

平面變壓器的初次級繞組均印制在電路板上，根據(jù)磁芯形狀的不同，繞組形狀主要有矩形和圓形兩種。圓形繞組相對于矩形繞組具有繞組利用率高的優(yōu)點，因此，本文采用圓形繞組（如圖3所示），初次級繞組采用交錯布置有效減小了變壓器漏感[6,7,8]。變壓器參數(shù)計算過程如下：

1）輸出功率P0

其中：U0、I0分別為電源的輸出電壓和輸出電流。

2）確定磁通密度B和電流密度J

磁通密度B的選擇首先要保證變壓器磁芯不會飽和，選得太小則需要結(jié)構(gòu)常數(shù)更大的磁芯，選得過大則增加磁芯損耗，通常磁通密度B為磁芯飽和磁通密度BS的1/2到2/3。通常電流密度J并不能決定繞組的交流損耗，它只能決定繞組的直流損耗；由于平面變壓器可以忽略集膚效應(yīng)的影響，因此在允許溫升的條件下最小工作電流密度可通過估算得到。設(shè)計時，確定磁通密度B=0.12 T；由于繞組溫升限定為變壓器溫升（30°C）的一半為15°C，因此確定電流密度J=30 A/mm2。

3）確定磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)、選擇磁芯

磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)計算公式如公式（2）所示。其中，kh是板層間隙常數(shù)；wt是電路板的厚度；η是變壓器效率；Kf是波形系數(shù)；B是磁通密度；f是工作頻率；J是電流密度；H是印制線厚度；Ui是初級繞組電壓；U0是次級繞組電壓；wd是印制線間距。

本文中，根據(jù)印制板材料及厚度，選板層間隙常數(shù)kh=1.2；印制板厚度wt=0.8 mm；變壓器效率η=0.94；半橋式變換器次級繞組波形近似為方波，故波形系數(shù)Kf=4.0；磁通密度 B=0.12T ；工作頻率f=300 kHz；電流密度J=30 A/mm2；印制線厚度 H=35 μm；初級電壓按最大值計算Ui=60 V；考慮到空氣中的絕緣問題，印制線間距wd=0.4 mm；次級繞組電壓U0=5.5 V。由公式（2）計算的磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)為：

選擇Ferroxcube公司的RM-W型磁芯，其結(jié)構(gòu)常數(shù)為1010 mm4，該磁芯有效截面積Ae=35.7 mm2。

4）計算初次級繞組匝數(shù)

初級繞組匝數(shù)：

次級繞組匝數(shù)：

5）計算初級繞組電流

6）初次級繞組線寬

初級繞組線寬：

次級繞組線寬：

（次級有兩個繞組，故電流有效值取輸出電流最大值的1/2進(jìn)行計算）

7）變壓器效率計算

由磁芯的結(jié)構(gòu)可知一圈印制線的平均長度L=2π×12.6=79.2≈80 mm，銅的電阻率 ρ=1.7×10-8?m，由公式（k表示繞組數(shù)）計算得變壓器銅損為3.67 W；通過磁芯手冊查得300 kHz頻率。磁通密度0.12T時，單位體積損耗P=150 mW/cm3，磁芯體積Ve=10.2 cm3，故鐵損為1.53 W；所以變壓器總損耗為5.2 W。因此效率，滿足設(shè)計要求。

8）計算溫升

考慮到變壓器的溫升為 30°C（步驟（2）），由公式計算的散熱面積為 147 cm2。因此，將變壓器貼在面積為160 cm2的金屬鋁板上。

2.3 控制電路設(shè)計

圖4 控制電路原理圖

控制電路原理圖如圖4所示[9]，輸出電壓采樣信號 Uf通過電壓跟隨器 U2后接入控制芯片TL494的1腳；2腳設(shè)定了一個基準(zhǔn)參考電壓；2腳和3腳通過電阻R25和電容C20形成一個PI調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)13腳的電壓，可以改變輸出脈沖的形式。輸出電流采樣信號If接入16腳，而15腳設(shè)定一個參考電壓，二者比較可以限定最大輸出電流，從而限定最大負(fù)載功率，起到過載保護(hù)的作用。14腳的+5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)過電容C21和電阻R26并聯(lián)支路后接到4腳構(gòu)成軟起動電路，電路正常工作后，4腳的值限定了死區(qū)時間，即輸出驅(qū)動信號的最大占空比。9腳和10腳輸出兩路互補(bǔ)的PWM脈沖信號，通過光耦隔離后，形成4路PWM脈沖信號，分別驅(qū)動主開關(guān)管V1、V2和同步整流管VSR1、VSR2。

3 實驗結(jié)果

表1中給出了電源工作頻率為300 kHz時輸入電壓分別為36 V、48 V、60 V和負(fù)載電流為3 A、6 A、8 A時，開關(guān)電源的輸出電壓、紋波和效率的實驗數(shù)據(jù)。從實驗結(jié)果看， 當(dāng)負(fù)載電流為滿載12 A、輸入電壓分別為36 V、48 V和60 V時，電源的輸出電壓為4.93 V、5.00 V和5.05 V，電源輸出電壓的紋波峰峰值分別為 6.2 mV、8.7 mV和9.2 mV，電源的效率分別為91.3%、90.8%和90.0%，完全達(dá)到了設(shè)計要求。

表1 開關(guān)電源測試結(jié)果

當(dāng)輸入電壓為48 V、輸出電流為12 A時，主開關(guān)管V1、V2的驅(qū)動信號和輸出電壓波形如圖5所示?？梢钥闯觯瑵M載時驅(qū)動波形最大占空比為45%，輸出電壓為5 V。滿載情況下，當(dāng)電源輸入電壓由40 V躍變到48 V時，實測其輸出電壓穩(wěn)定時間為0.2 s，動態(tài)性能較好。

圖5 滿載時開關(guān)管的驅(qū)動波形（上）和輸出電壓波形（下）

4 結(jié)論

平面變壓器技術(shù)有效減小了開關(guān)電源體積、提高開關(guān)電源功率密度；同步整流技術(shù)可減小整流管的開關(guān)損耗、提高開關(guān)電源的效率，而且可有效降低整流管的壓降，因此常用于低壓大電流開關(guān)電源。本文選用對稱半橋式電路為主電路、TL494為主控芯片，綜合運用平面變壓器技術(shù)和同步整流技術(shù)，設(shè)計研制了一臺48 V/5 V(12 A)的開關(guān)電源。實驗結(jié)果表明該電源滿載時，效率可達(dá)90%，紋波峰峰值小于10 mV，具有體積小、效率高、功率密度大、動態(tài)相應(yīng)快等優(yōu)點。

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