袁方方

摘 要：文章根據(jù)開關(guān)電源的具體要求，在闡述基于TOP-Switch系列芯片的單端反激式開關(guān)電源原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了一種用于軌道車輛電動塞拉門控制系統(tǒng)的小功率多路輸出DC/DC開關(guān)電源的設(shè)計方法。該電路主電路采用反激式電路，應(yīng)用反饋手段和脈沖調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路輸出的穩(wěn)壓電源，最后，進(jìn)行了總體設(shè)計，在軌道車輛電動門控制系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；反激式電路；高頻變壓器

引言

開關(guān)電源是綜合現(xiàn)代電力電子、自動控制、電力變換等技術(shù)，通過控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，來獲得穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，因其具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，代表著當(dāng)今穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，已成為穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品。文章設(shè)計了一種基于TOP-Switch系列芯片的小功率多路輸出DC/DC的反激式開關(guān)電源。

1 電源設(shè)計要求

文章設(shè)計的開關(guān)電源將用于軌道車輛電動門控制系統(tǒng)中，最大的功率為12W，分四路輸出，具體設(shè)計參數(shù)如下：（1）輸入電壓Vin=110V；（2）開關(guān)頻率fs=132kHz；（3）效率η=80%；（4）輸出電壓/電流 48V/0.2A，15V/0.02A-15V/0.02A，5V/0.3A；（5）輸出功率12W；（6）電壓精度1%；（7）紋波率1%。（8）負(fù)載調(diào)整率±3%，電源最小輸入電壓為Vimin=77V，最大輸入電壓為Vimax=138V。考慮到設(shè)計要滿足結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，經(jīng)濟(jì)性及電磁兼容性等要求，結(jié)合本設(shè)計輸出功率小的特點(diǎn)，最終選用了單端反激式開關(guān)電源，它具有結(jié)構(gòu)簡單，所需元器件少，可靠性高，驅(qū)動電路簡單的特點(diǎn)，適合多路輸出場合。

2 單端反激式開關(guān)電源的基本原理

單端反激式開關(guān)電源由功率MOS管，高頻變壓器，無源鉗位RCD電路及輸出整流電路組成。其工作原理是當(dāng)開關(guān)管Q被PWM脈沖激勵而導(dǎo)通時，輸入電壓就加在高頻變壓器的初級繞組N1上，由于變壓器次級整流二極管D1反接，次級繞組N2沒有電流流過；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，次級繞組上的電壓極性是上正下負(fù)，整流二極管正偏導(dǎo)通，開關(guān)管導(dǎo)通期間儲存在變壓器中的能量便通過整流二極管向輸出負(fù)載釋放。反激變壓器在開關(guān)管導(dǎo)通期間只存能量，在截止期間才向負(fù)載傳遞能量，因為能量是單方向傳導(dǎo)，所以稱為單端變化器[1]。

圖1 單端反激式開關(guān)電源的原理圖

3 TOP-Switch系列芯片的介紹及選型

TOP-Swtich單片開關(guān)電源是開關(guān)電源專用集成電路，它將脈寬調(diào)制電路與高壓MOSFET開關(guān)管及驅(qū)動電路等集成在一起，具備完善的保護(hù)功能。使用該芯片設(shè)計的小功率開關(guān)電源，可大大減少外圍電路，降低成本，提高可靠性[4]。

對于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率，由設(shè)計要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入，輸出功率不大于12W，故選擇TOP264VG。

4 電路設(shè)計

本設(shè)計開關(guān)電源的總體設(shè)計方案如圖2所示。

4.1 主電路設(shè)計

4.1.1 變壓器設(shè)計

變壓器的設(shè)計是整個電源設(shè)計最重要的部分，它的設(shè)計好壞直接影響到整個電源性能。

（1）磁芯和骨架的確定

由參考文獻(xiàn)[1]可查出，當(dāng)P0=12W時可供選擇的鐵氧體磁芯型號，由于采用包線繞制，而且EE型鐵芯廉價，磁損耗小且適用性強(qiáng)，故選擇EEL19。從廠家提供的磁芯產(chǎn)品手冊中可以查到磁芯有效截面積Ae=0.23cm2，磁路有效長度Le=3.94cm2，磁芯等效電感AL=1250Nh/T2

（2）確定最大占空比

（式中VOR為初級感應(yīng)電壓，VDS為開關(guān)管漏源導(dǎo)通電壓，其中VOR=135V，VDS=10V）

（3）初級波形參數(shù)計算

初級波形的參數(shù)主要包括輸入電流平均值IAGV、初級峰值電流IP

輸入電流平均值

初級峰值電流

（其中KRP為初級紋波電流IR與初級峰值電流IP的比值，當(dāng)反激式開關(guān)電源工作在不連續(xù)狀態(tài)時取KRP=1）

（4）確定初級繞組電感

（5）計算各繞組的匝數(shù)

初級繞組的匝數(shù) 實(shí)取33匝

次級為5v輸出的繞組定義為NS=4turn

對于±15V輸出 實(shí)取12匝

對于48V輸出 實(shí)取36匝

對于偏置繞組 實(shí)取10匝

4.1.2 無源鉗位電路的設(shè)計

反激式開關(guān)電源，每當(dāng)功率MOSFET由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，在開關(guān)電源的一次繞組上就會產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓，和直流高壓一起疊加在MOSFET上，漏極電壓

這就要求功率MOSFET至少能承受450V的高壓，并且要求鉗位電路吸收尖峰電壓來保護(hù)功率MOSFET。本電源的鉗位電路由穩(wěn)壓管和二極管D1組成，其中VR1為瞬態(tài)電壓抑制器P6KE200，D1為快恢復(fù)二極管IN4936，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，原邊繞組電壓上正下負(fù)，使D1截止，鉗位電路不起作用；當(dāng)MOSFET截止瞬間，原邊繞組電壓上負(fù)下正，使得D1導(dǎo)通，電壓被鉗位在200V左右。

4.1.3 輸出環(huán)節(jié)的設(shè)計

以+5V輸出為例，次級繞組高頻電壓經(jīng)肖特基二極管SB120整流后，用超低的ESR濾波，為了得到獲得更小的紋波電壓，在設(shè)計時又加入了次級LC濾波器，實(shí)驗表明，輸出的電壓更符合期望值。

4.2 反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計

反饋回路主要由PC817和TL431組成，這里用的TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來代替普通的穩(wěn)壓管，構(gòu)成外部誤差放大器，進(jìn)而對輸出電壓作精密調(diào)整，當(dāng)輸出電壓發(fā)生波動時，經(jīng)過電阻R13、R14分壓后得到取樣電壓與TL431中的2.5V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在陰極K上形成誤差電壓，使光耦合器中的LED工作電流產(chǎn)生相應(yīng)變化，再通過光耦合器去改變單片開關(guān)電源的控制端電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出占空比，使輸出電壓維持不變，達(dá)到穩(wěn)壓目的。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計的開關(guān)電源具有結(jié)構(gòu)簡單，所需元器件少，體積小，成本低的特點(diǎn)，并且滿足所有設(shè)計要求，在軌道車輛電動門控制系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]楊立杰.多路輸出單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007.

[2]沙占友.開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2011.

[3]王云亮.電力電子技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4]沙占友.單片開關(guān)電源最新應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.