胡園一 趙坤渝

（重慶市送變電工程有限公司，中國(guó) 重慶 401120）

0 引言

現(xiàn)代電子設(shè)備正朝著小型化，低成本化方向發(fā)展，這要求其電源系統(tǒng)也要朝著輕、薄、小和高效率方向發(fā)展。傳統(tǒng)的線性電源無(wú)法克服其工頻變壓器體積龐大，效率低下等缺點(diǎn)，越來(lái)越難以滿足現(xiàn)代電子設(shè)備特別是小型化設(shè)備的要求。而開(kāi)關(guān)電源采用功率管為核心器件，具有功耗低，體積小等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)，具有很好的科研價(jià)值及經(jīng)濟(jì)意義[1]。

1 開(kāi)關(guān)電源工作原理

開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1 所示。交流輸入電壓通過(guò)EMI濾波及整流環(huán)節(jié)后得到脈動(dòng)的直流電壓Vi。直流電壓Vi經(jīng)過(guò)功率變換，逆變?yōu)槭艿娇刂频摹⒎想娐芬蟮姆讲}沖電壓。高頻方波脈沖電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓輸出。途中的控制電路部分對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)放大、整形，利用調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，使輸出電壓保持穩(wěn)定。時(shí)鐘振蕩電路，它產(chǎn)生的高頻波段信號(hào)與控制信號(hào)進(jìn)行疊加，從而調(diào)節(jié)脈沖寬度。

圖1 開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成原理框圖

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

在常用的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，反激式變換器相比于正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有適用于低于150W 小功率開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)[2]。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作時(shí)，變壓器原邊驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通的時(shí)候，其副邊不會(huì)向負(fù)載供電，原副邊交錯(cuò)導(dǎo)通，因此叫反激式。單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需增加二次繞組和相關(guān)電路就可獲得多路輸出，而且重量輕體積小，傳輸功率為20～100W，因此常常用于小型的儀表儀器、家用電器電源等中小功率變換場(chǎng)合。其輸出電壓為：

1.2 電磁干擾濾波器設(shè)計(jì)

現(xiàn)代電子設(shè)備正逐漸變得越來(lái)越復(fù)雜，由此產(chǎn)生的各種電磁干擾問(wèn)題往往會(huì)造成電子設(shè)備無(wú)法正常工作，成為設(shè)計(jì)中不得不考慮的重要因素。在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，電源噪聲是電磁干擾的主要干擾，屬于射頻干擾[3]。

針對(duì)開(kāi)關(guān)電源中存在的干擾類型，綜合考慮開(kāi)關(guān)電源的體積要求和成本要求，采用單級(jí)的EMI 濾波器。該基本電路有兩個(gè)輸入、輸出端，一個(gè)接地端，電路中包括濾波電容C1～C4、共模扼流圈L。根據(jù)電磁兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，能濾除電源線間差模干擾的電容，叫做X 電容。能濾除一、二次繞組耦合所形成的共模干擾，叫做Y 電容。C1和C2采用薄膜電容器，容量范圍大約為0.02～0.48μF，其主要的作用是濾除串模干擾。C3和C4跨接于濾波器的輸出端，同時(shí)把電容的中間點(diǎn)接在大地，使其能有效的抑制共模干擾，C2和C3的容量范圍大約是2200pF～0.1μF 為了減小漏電流，電容器應(yīng)不超過(guò)0.1μF。

1.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器在開(kāi)關(guān)電源中起傳輸能量、存儲(chǔ)能量的作用，是開(kāi)關(guān)電源制作技術(shù)中非常關(guān)鍵的部分[4]。EE型磁芯磁損低，適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低，且根據(jù)輸出功率范圍，本文選擇鐵氧體磁芯EE22型，輸出功率為10～20W，磁芯長(zhǎng)度A=22mm，有效磁路長(zhǎng)度L=3.96cm，磁通密度B=120mT，磁芯有效電感AL=2.4μH/匝2，磁芯有效橫截面積SJ=0.41cm2，50kHz。

高頻變壓器一次繞組的電感量的公式為：

其中：

Umin為直流最小輸入電壓，一般取220V。

Dmax為脈沖信號(hào)最大占空比。計(jì)算公式為：

因此，將η=80%，f=50kHz 帶入式（2），得到：

設(shè)滿載時(shí)的峰值電流IP，有

設(shè)短路保護(hù)過(guò)程中的過(guò)載電流為IS，

一次繞組上存儲(chǔ)的電能為：

初級(jí)繞組匝數(shù)可以通過(guò)下式計(jì)算：

將W=1.51（mJ），B=250mT，SJ=0.41cm2帶入公式中，得到N1≈25.7，實(shí)際取30 匝。

多輸出高頻變壓器中，其各輸出繞組的匝數(shù)可以選取相等的每伏匝數(shù)。每伏匝數(shù)的公式為：

UF——輸出整流二極管的正向壓降；

Uo——繞組N2（或N3）兩端的電壓。

N 的單位是匝/V，將NS取5 匝，二次繞組回路中選用肖特基二極管D80-004，若此處取Uo=5V，UF=0.4V。代入公式式1.7 得N=0.925匝／V 。

對(duì)15V 輸出，已知Uo=15V，UF=0.4V，代入公式（7）得NS2=0.925×（15V+0.4V）=14.245l／V，實(shí)際取15 匝。

對(duì)于5V 輸出，已知Uo=5V，UF=0.4V，帶入公式（1.7）得NS2=0.925l／V×（5V+0.4V）=4.995l／V，實(shí)際取5 匝。

2 基于TOP234Y 整體電路設(shè)計(jì)

TOPSwitch-FX 系列是美國(guó)PI 公司推出的第三代開(kāi)關(guān)電源集成電路。它的輸出功率一般為75W 左右，符合本設(shè)計(jì)的小功率要求。而且芯片還具有電流限流電路，過(guò)熱保護(hù)，增壓保護(hù)欠壓檢測(cè)電路[5]。整個(gè)電路原理如圖2 所示。

交流電源經(jīng)全橋整流濾波后變成直流，R1 與R2 組成的電壓檢測(cè)電路用于欠壓和過(guò)壓保護(hù)。T1 為反激式高頻變壓器；D3 用于高頻整流；L3，C10，C11 為輸出整流濾波器；反饋回路由穩(wěn)壓器TL431 和光電耦合器PC817A 組成，通過(guò)反饋?zhàn)饔檬馆敵鲭妷簞?dòng)態(tài)穩(wěn)定；C5，R3，F(xiàn)R106 構(gòu)成漏極鉗位電路，用于保護(hù)控制器內(nèi)部的集成MOSFET[6]。

圖2 單端反激式多輸出開(kāi)關(guān)電源原理圖

上電時(shí)，TOP234Y 開(kāi)始工作，當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)電壓閾值時(shí)，內(nèi)部MOSFET 開(kāi)始斬波；通過(guò)高頻變壓器的快速電能變換，迅速將能量傳遞到二次側(cè)，建立輸出電壓；當(dāng)輸出電壓達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，反饋回路發(fā)生作用，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)周期來(lái)維持輸出電壓的恒定。

3 仿真分析

本文利用Saber 軟件對(duì)電路原理圖進(jìn)行仿真。

3.1 變壓器一次側(cè)波形分析

本仿真建模的變壓器模型，其一次側(cè)的電感量可由下式?jīng)Q定：

由第二節(jié)式1.3 得到變壓器一次繞組的電感量L1=2.28（mH），由式7 得初級(jí)繞組的匝數(shù)N1=25.7 匝，二次側(cè)電感量理論值如下：

二次側(cè)5V 輸出電感量理想值為

二次側(cè)15V 輸出電感量理想值為

圖3 變壓器一次側(cè)電壓電流波形（不放大）

考慮計(jì)算誤差與實(shí)際情況，電路仿真建模時(shí)選用的輸出電感值分別為90μH 和780μH。仿真后得到變壓器的一次側(cè)電壓電流波形如圖3：

將該波形圖放大后得到圖4，通過(guò)波形可以看出，變壓器一次側(cè)電壓電流波形基本滿足條件。

圖4 變壓器一次側(cè)電壓電流波形（放大）

3.2 總輸出電壓波形模型

對(duì)整體電路原理圖進(jìn)行仿真，得到總輸出電流電壓波形如圖5 所示。

圖5 最終兩路輸出電壓波形

第一部分變壓器設(shè)計(jì)中，設(shè)置兩路輸出分別為5V 和15V。仿真輸出模型中可見(jiàn)兩路輸出值分別為5.2569V 和15.072V，并且輸出穩(wěn)定?？紤]到實(shí)際誤差，最終輸出基本貼近理論值。

4 總結(jié)

本文在給出開(kāi)關(guān)電源一般工作原理的同時(shí)，對(duì)小功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分進(jìn)行了研究，包括電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、EMI 濾波器、高頻變壓器參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)。然后選擇基于TOP234Y 芯片進(jìn)行了小功率多路輸出的開(kāi)關(guān)電源整體電路設(shè)計(jì)，并給出了仿真結(jié)果，結(jié)果參數(shù)表明所進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，達(dá)到了期望指標(biāo)。