李文峰，蔣 玉，韓 非

（西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054）

開關(guān)電源是一種電能轉(zhuǎn)換的表現(xiàn)形式，隨著集成電路的不斷發(fā)展，開關(guān)電源越來越趨向于高頻化、模塊化、綠色化和數(shù)字化[1]。本文主要介紹由飛兆半導(dǎo)體公司研發(fā)的FSD系列綠色器件實(shí)現(xiàn)的反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的目的是將其應(yīng)用于UPS電源中的供電和充電環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信的后備電源。

1 開關(guān)電源的工作原理

FSDx321系列器件是飛兆半導(dǎo)體公司專用的開關(guān)電源器件，它具有高度集成的特性，將開關(guān)管與PWM控制器集成到一個(gè)芯片里，減少了外部元器件的使用。它的內(nèi)部集成了脈沖寬度調(diào)節(jié)器、抗惡劣環(huán)境FET、高壓電源開關(guān)穩(wěn)壓器[2]。相較于分立的MOSFET、控制器或RCC開關(guān)轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)SDx321減少了總元件數(shù)量，縮小了設(shè)計(jì)尺寸，減小了重量，同時(shí)提高了效率、生產(chǎn)力和系統(tǒng)的可靠性[3]。由它實(shí)現(xiàn)的開關(guān)電源的原理如圖1所示。

開關(guān)電源采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，核心芯片是飛兆半導(dǎo)體的FSDH321。該部分電路的作用是將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為15 V的直流電。接通交流電源后，220 V的交流高壓經(jīng)過共模電感濾除高頻共模噪聲，通過安規(guī)電容來抑制信號傳輸?shù)腅MI干擾，經(jīng)過橋式整流、大電容濾波產(chǎn)生一個(gè)約308 V的直流高壓，再通過限流電阻加到芯片的管腳。電路上電后，與VSTR連接的芯片內(nèi)部開關(guān)閉合對與VCC管腳連接的外部電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到閾值電壓12 V時(shí)，內(nèi)部開關(guān)斷開。電路進(jìn)入穩(wěn)定工作后，由變壓器的輔助繞組提供 VCC的工作電壓，C11、C9、C19是濾波電容。FSDx321內(nèi)置的MOSFET在閉合期間，電流在功率變壓器的初級繞組內(nèi)流動(dòng)，并將電能轉(zhuǎn)換為磁能儲(chǔ)存在變壓器的初級線圈里[4]。當(dāng)MOSFET斷開時(shí)，由于變壓器繞組內(nèi)的電流不能突變，此時(shí)通過刺激的整流二極管D6將能量傳遞到次級電路[5]。在MOSFET關(guān)閉期間，由于變壓器漏感產(chǎn)生感應(yīng)電壓加在開關(guān)管的漏極上，若電壓過高可能損壞管子，因此在輸入直流高壓與MOSFET之間設(shè)計(jì)了能夠吸收電壓尖峰的RCD吸收緩沖電路。電路的輸出電流可通過與IPK連接的外部電阻來調(diào)節(jié)。當(dāng)IPK懸空時(shí)，電路具有最大輸出電流700 mA。采樣電阻R10通過將采樣電流轉(zhuǎn)變成電壓信號與TL431組成的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較來控制JC817的內(nèi)部發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，內(nèi)部的光敏三極管接收到不同的發(fā)光強(qiáng)度后反饋給芯片的VFB端來調(diào)節(jié)電路正常工作的占空比。 圖 1 中的 C22、C14、C15、C23、C16、C17 是輸出濾波電容[6]，由于輸出的濾波電容具有濾除紋波的作用，如果電容的ESR過高，將會(huì)產(chǎn)生較大的等效能量，這個(gè)能量在電容上會(huì)產(chǎn)生熱量，長時(shí)間的積累將會(huì)損壞電容，故將C22和C23設(shè)計(jì)為高頻低阻系列。

圖1 開關(guān)電源電源原理圖

2 開關(guān)電源參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 變壓器的設(shè)計(jì)

反激式電源變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一是變壓器的設(shè)計(jì)。此處的變壓器不是真正意義上的變壓器，而是一個(gè)由磁芯和線圈構(gòu)成的能量存儲(chǔ)裝置。在變壓器初級導(dǎo)通期間，能量存儲(chǔ)在磁芯的氣隙中，關(guān)斷期間存儲(chǔ)的能量被傳送給輸出。初、次級的電流不是同時(shí)流動(dòng)的，因此它更多地被認(rèn)為是一個(gè)帶有次級繞組的電感[7]。變壓器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循在最壞的情況下也能穩(wěn)定工作的原則，也就是開關(guān)電源處于最低電壓最大負(fù)載情況下能夠穩(wěn)定工作，此時(shí)變壓器一次側(cè)的電感量為：

其中，VmDCin為最小輸入直流電壓；Dmax為最大占空比，與原邊的反激電壓和最小直流輸入電壓有關(guān)，這里取為0.445；KRF為最壞情況下的紋波系數(shù)；fs為開關(guān)頻率；PIN為輸入功率，Po（max）為最大輸出功率。由于實(shí)際變壓器存在一定的漏感，為減小能耗，漏感應(yīng)盡可能小。在變壓器的設(shè)計(jì)中，首先要選擇所用的磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)。磁芯材料要考慮的最主要因素是它的工作頻率處的損耗和磁感應(yīng)強(qiáng)度。查表可知[8]，工作頻率為100 kHz時(shí)的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bmax的范圍是 0.25Bs～0.4Bs。高頻變壓器的 Po（max）與磁芯截面積 Ae和窗口面積 AP存在如下關(guān)系：

由實(shí)際功率可以計(jì)算出最大輸出功率 Po（max），升壓開關(guān)電源的效率η一般為80%～90%之間，窗口利用系數(shù)Ku取典型值為0.29，電流密度Kj一般取值是600 A/cm2。每個(gè)磁芯都有固定的Ap，在廠家提供的磁芯參數(shù)表里查詢大于或等于所求數(shù)值的磁芯即符合設(shè)計(jì)要求。

在DCM的工作模式下，原邊的繞組匝數(shù)為：

在選定磁芯后，Bmax就確定了，副邊繞組匝數(shù)Ns與原邊繞組Np的關(guān)系為：

其中，VO是輸出電壓，VF是整流二極管的正向?qū)▔航怠?/p>

流過原邊繞組的電流 Iin（max）及峰值電流Ipk決定了繞組線頸的選擇，它們的公式分別為：

由電流密度的定義可以求出線徑d的大小：

變壓器設(shè)計(jì)為一個(gè)反復(fù)驗(yàn)證的過程，初步計(jì)算完成后，應(yīng)通過最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和趨膚效應(yīng)的大小來驗(yàn)證其合理性，如果不合適應(yīng)重新設(shè)計(jì)以滿足要求。

2.2 整流二極管和濾波電容的選擇

在開關(guān)電源中，整流二級管及濾波電容的選擇應(yīng)根據(jù)電路的最大感應(yīng)電壓和電流的有效值，在選取時(shí)要使器件留有足夠的裕量[9]。通常取二極管的反向電壓大于2倍的直流輸出電壓，正向電流大于1.5倍的直流輸出電流。濾波電容的選擇主要考慮電源通過時(shí)的紋波電壓大小及耐壓值是否足夠大，綜合考慮應(yīng)選取高頻低阻系列。

2.3 RCD鉗位吸收電路

RCD吸收電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的特點(diǎn)，所以在以集成電路為核心的開關(guān)電源里應(yīng)用廣泛。但是由于RCD電路的鉗位電壓會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，如果參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響開關(guān)電源的效率。它的原理圖如圖2所示。

圖2 帶RCD吸收電路的反激變換器原理圖

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓VIN加在變壓器繞組上，由于D反向偏置，阻止鉗位電容的放電，所以電容C上電壓為零。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器的漏感能量給Cs充電直至其上的電壓達(dá)到VIN，二極管導(dǎo)通，鉗位電容上的電壓組件上升，即Cs上的電壓也逐漸上升直到達(dá)到2VIN。接著，電阻R會(huì)消耗掉電容上的電量，直到電容上的電壓返回到原來的值。電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，箝位電容電壓會(huì)自動(dòng)調(diào)整，直到多余的能量消耗在電阻上。如果沒有RCD緩沖電路，漏感中的能量將會(huì)在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間加在Cs上，開關(guān)管將會(huì)承受較高的電應(yīng)力，極易導(dǎo)致開關(guān)管損壞[10]。

首先確定吸收電路的應(yīng)吸收的功率P：

其中，V是吸收電路兩端的電壓，T1是漏感電流釋放至零的時(shí)間，T為開關(guān)周期，f為開關(guān)頻率。若忽略D的壓降，加在吸收電路兩端的電壓為 V=（Vo+Vp）N，所以：

由式（10）可知，吸收電路吸收的功率和電阻消耗的功率應(yīng)完全相等。即：

整理式（9）、（10）可得：

C值的選擇與開關(guān)頻率相關(guān)，開關(guān)頻率低時(shí)應(yīng)增加C的值；D應(yīng)選取超快恢復(fù)二極管。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及設(shè)計(jì)總結(jié)

通過最終產(chǎn)品的運(yùn)行證明該設(shè)計(jì)能滿足需要的各項(xiàng)功能。開關(guān)電源工作在100 kHz的輸出電壓是15 V，紋波電壓控制在1%左右。輸出電流是0～700 mA，電源在115 VAC～245 VAC輸入的范圍內(nèi)工作效率大于80%。電源小板的大小只有80 mm×45 mm。圖3和圖4是用示波器所測的開關(guān)電源的直流輸出及紋波電壓波形。

圖3 輸出直流電壓波形

圖4 空載輸出紋波

由圖可知，實(shí)際測量值滿足要求，與計(jì)算吻合。通過圖1可以看出，使用FSD系列電源芯片的外圍元件較少，由于電源芯片內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)和軟啟動(dòng)技術(shù)使得電路的EMI較小，滿足電路對傳導(dǎo)EMI的要求，且安規(guī)方面也滿足3C認(rèn)證的要求。該電源的設(shè)計(jì)簡單易行，成本較低，適合于需要相同規(guī)格的開關(guān)電源系統(tǒng)，且飛兆的FSD集成電源芯片使得整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)間較少，電路簡單，在成本上具有很大優(yōu)勢。

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