韓召成，文定都，胡正國(guó)，任于涵

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于OB2273的單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

韓召成，文定都，胡正國(guó)，任于涵

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

設(shè)計(jì)了一種基于OB2273的單端反激式開(kāi)關(guān)電源。先介紹了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理，再分析部分模塊的功能及工作原理。為了滿足電源的電磁兼容性和輸出電壓的穩(wěn)定性等要求，利用EMI濾波器濾除干擾，采用穩(wěn)壓源TL431和光耦實(shí)現(xiàn)了反饋。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該開(kāi)關(guān)電源具有輸出直流電壓穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高、紋波小、體積小等優(yōu)點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

OB2273；反激式；開(kāi)關(guān)電源

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源朝著集成化、小型化、高頻化的方向發(fā)展，并在日常生活中得到了廣泛運(yùn)用。開(kāi)關(guān)電源和線性電源相比，具有以下特點(diǎn)：效率高，體積小，可靠性高，穩(wěn)壓范圍廣，性能好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)[1-3]。開(kāi)關(guān)電源的控制方式有電壓控制方式和電流控制方式2種。電流型PWM（pulse width modulation）開(kāi)關(guān)電源和電壓型PWM開(kāi)關(guān)電源相比，具有輸出穩(wěn)定性好、電壓和負(fù)載調(diào)整率高等特點(diǎn)[4-8]。文獻(xiàn)[4]提出了電流型PWM整流器直流側(cè)濾波器，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)臑V波器參數(shù)，減少了電抗壓降帶來(lái)的損耗，提高了系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[5]提出了電流型整流器雙閉環(huán)多變量反饋控制策略，該策略優(yōu)化了系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)的抗干擾性與穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]提出了基于空間矢量的三相CSR（current source recti fi er）低電壓應(yīng)力控制方法，使三相CSR電流具有電流利用率高、開(kāi)關(guān)損耗小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

本文提出了基于OB2273的單端反激式開(kāi)關(guān)電源，設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓源TL431和線性光耦組成的反饋電路，以提高開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定性、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。

1 電路系統(tǒng)

為了達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)，且轉(zhuǎn)換效率高、損失小的效果，開(kāi)關(guān)電源采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電路系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖Fig. 1 System structure diagram

電路系統(tǒng)的工作原理如下：220 V的交流電經(jīng)過(guò)EMI（electro magnetic interference）濾波器濾除干擾，再經(jīng)過(guò)整流濾波得到約310 V的直流電壓，直流電在PWM集成芯片OB2273的控制下變?yōu)榻涣髅}沖信號(hào)，經(jīng)高頻變壓器進(jìn)行變壓，再經(jīng)反激式變壓器次級(jí)的二極管和電解電容進(jìn)行整流、濾除諧波后，輸出電壓約為12 V；當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，反饋控制電路通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，從而達(dá)到12 V直流電穩(wěn)定輸出。

2 電路原理

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，反激式開(kāi)關(guān)電源電路主要由輸入電路、交換電路、反饋控制電路以及輸出電路構(gòu)成。電路原理如圖2所示。

圖2 反激式開(kāi)關(guān)電源電路原理圖Fig. 2 Schematic diagram of fl yback switching power supply circuit

2.1 OB2273芯片

在本設(shè)計(jì)中，電源芯片為昂寶電子公司生產(chǎn)的OB2273芯片。該芯片具有性能高、待機(jī)功耗小的特點(diǎn)，主要用于反激式變換器，如電池充電器、電源適配器等。

OB2273的主要功能如下：1）自身能夠解決頻率抖動(dòng)；2）具有內(nèi)置軟啟動(dòng)功能；3）具有欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、輸出短路保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等功能。

OB2273的封裝形式為SOT23-6，其引腳如圖3所示。引腳及功能說(shuō)明如下。

1腳GND：芯片接地引腳。

2腳FB：系統(tǒng)反饋回授引腳。PWM的占空比由FB和CS的電壓共同決定，與此同時(shí)，F(xiàn)B的電壓還決定系統(tǒng)的工作模式（固定頻率模式或間歇模式或降頻模式）。

3腳RT：過(guò)溫保護(hù)腳。RT腳連接一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電阻，當(dāng)RT引腳電壓接近1.0 V時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)保護(hù)。

4腳：電流檢測(cè)腳。

5腳：芯片電源引腳。

6腳：驅(qū)動(dòng)外部MOSFET柵極引腳。

圖3 OB2273的封裝引腳形式Fig. 3 OB2273 package pin-out

2.2 啟動(dòng)電路

啟動(dòng)電路原理如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用整流橋后啟動(dòng)方式。220 V交流電先經(jīng)過(guò)EMI濾波器濾除干擾，再經(jīng)整流濾波后得到約310 V的直流電壓，此電壓經(jīng)過(guò)電阻R3A、R3B、R3C降壓后再給電源芯片OB2273提供啟動(dòng)電壓，OB2273啟動(dòng)后R3A、R3B、R3C的工作隨即結(jié)束，接下來(lái)由變壓器的輔助繞組為OB2273供電。整流橋后啟動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是電阻R3A、R3B、R3C關(guān)掉輸入后可給CX2放電，有效地避免因“堆板”造成的產(chǎn)線不良率。

2.3 反激式開(kāi)關(guān)電路

反激式開(kāi)關(guān)電路的工作原理如下：當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電感上的能量隨著一次側(cè)的繞組電流增大而增大，能量?jī)?chǔ)存在變壓器的一次側(cè)，二次側(cè)繞組此時(shí)的感應(yīng)電壓為上負(fù)下正，因此二次側(cè)的整流二極管反向偏置截止，能量不能傳到二次側(cè)；當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，原邊繞組兩端電壓極性相反，二次側(cè)的整流二極管正向偏置導(dǎo)通，變壓器儲(chǔ)存的能量向輸出端釋放。變壓器在此開(kāi)關(guān)中起到隔離和儲(chǔ)存能量的作用。

反激式開(kāi)關(guān)電路有電流連續(xù)和不連續(xù)的2種工作方式。

1）當(dāng)電流處于連續(xù)模式時(shí)，

式中：Uin、Uout分別為輸入、輸出電壓；

N2、Np分別為副邊和原邊繞組匝數(shù)；

ton、toff分別為Q1導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間；

n為Np與N2的比值。

由式（1）可以看出，在電流連續(xù)的狀態(tài)下輸出電壓Uout和開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間ton與截止時(shí)間toff比值、變壓器的原邊Np與副邊N2繞組匝數(shù)比值、輸入電壓Uin有關(guān)。

2）當(dāng)電流處于不連續(xù)工作模式時(shí)，

式中：T為開(kāi)關(guān)周期；

RL為副邊負(fù)載；

Lp為原邊電感值。

由式（2）可得，輸出電壓Uout和RL的平方根成正比。輸出電壓在負(fù)載開(kāi)路的情況下會(huì)出現(xiàn)漂移，因此本文引入反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)以避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)。

2.4 RCD鉗位電路

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于反激式變壓器存在漏感，漏感儲(chǔ)能會(huì)產(chǎn)生較大的尖峰電壓[9-12]。此電壓加在開(kāi)關(guān)管的漏源極兩端，可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管被擊穿，因此在設(shè)計(jì)中添加了RCD鉗位電路以吸收漏感能量，達(dá)到抑制尖峰電壓的作用。RCD鉗位電路的工作原理如下：當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，漏感釋放能量，二極管D1導(dǎo)通，電容C2電壓快速增大，二極管D1截止，電容C2通過(guò)電阻R4、R5進(jìn)行放電。

2.5 反饋電路

反饋電路主要由精密穩(wěn)壓源TL431和線性光耦組成[13]，利用TL431提供的參考電壓與采樣電壓相比較，再通過(guò)線性光耦對(duì)輸出電壓進(jìn)行靈活精準(zhǔn)地調(diào)整。反饋電路的控制原理如下：電阻R7、R11對(duì)輸出電壓進(jìn)行分壓取樣，采樣電壓與TL431提供的2.5 V參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸出電壓為12 V時(shí)，則采樣電壓與TL431提供的參考電壓相等，TL431的K極電位不發(fā)生變化，線性光耦電流也不發(fā)生變化，則OB2273的2腳電壓電位不變，輸出的驅(qū)動(dòng)占空比不變，從而輸出電壓穩(wěn)定輸出；若輸出電壓大于12 V，則經(jīng)過(guò)R7和R11獲得的采樣電壓大于2.5 V，該誤差經(jīng)過(guò)線性光耦反饋到OB2273的2腳，6腳輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比減小，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間縮短，輸出電壓降低，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 開(kāi)關(guān)電源樣機(jī)

根據(jù)原理圖2，本文制作一塊樣機(jī)。圖4為樣機(jī)的正反面圖。

圖4 樣機(jī)PCB板實(shí)物圖Fig. 4 Physical map of the PCB board of the prototype

3.2 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

為了檢測(cè)樣機(jī)性能即在負(fù)載發(fā)生變化和輸入電壓大范圍內(nèi)波動(dòng)的情況下電壓是否能夠穩(wěn)定輸出、輸出的波形是否平穩(wěn)，本文對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了輸出特性測(cè)試和輸入特性測(cè)試[14-16]。

1）輸出特性測(cè)試。電壓固定在220 V，輸出電流從0.75 A逐步增加到1.75 A。輸出特性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，額定輸出電流為1.25 A時(shí)，輸入功率為Pin=UinIin=17.85 W，輸出功率為Pout=UoutIout=14.940 W，=Pout/Pin=83.69%。普通開(kāi)關(guān)電源的功率為12～24 W，效率為80%，本樣機(jī)效率為83.69%，達(dá)到了預(yù)期的效果。

表1 輸出特性測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of the output performance

2）輸入特性測(cè)試。用負(fù)載機(jī)固定輸出電流即電流為1.25 A，輸入電壓從100 V逐步增加到240 V，所測(cè)得的電壓如表2所示。由表2可知，輸出電壓穩(wěn)定在近12 V。

表2 輸入特性測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of input characteristics V

3）樣機(jī)的輸入電壓為220 V交流電，輸出為12 V直流電。通電后，用Tek示波器測(cè)輸出電壓波形，如圖5所示。圖中，每格電壓為5 V。由圖可知，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在12 V，波動(dòng)很小，達(dá)到了預(yù)期要求。

圖5 輸出電壓波形Fig. 5 Output voltage waveform

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于OB2273的單端反激式開(kāi)關(guān)電源，先詳細(xì)介紹了該開(kāi)關(guān)電源的構(gòu)成和原理，并制作了樣機(jī)，測(cè)試了在負(fù)載發(fā)生變化和輸入電壓大范圍內(nèi)波動(dòng)情況下的樣機(jī)性能。本開(kāi)關(guān)電源通過(guò)引入反饋環(huán)節(jié)解決了電壓隨負(fù)載漂移的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定輸出。測(cè)試結(jié)果表明，基于OB2273的開(kāi)關(guān)電源具有成本低、外圍器件少、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：鄧 彬）

A Design of Single-Ended Flyback Switching Power Supply Based on OB2273

HAN Zhaocheng，WEN Dingdou，HU Zhengguo，REN Yuhan
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007, China）

This paper introduces a single ended flyback switching power supply based on OB2273, and analyzes the design principle, function and working process of some modules. In order to meet the requirements of electromagnetic compatibility and stable output of power supply, the design uses EMI fi lter to fi lter out the interference,and uses the voltage regulator TL431 and optocoupler to realize the feedback. The experimental results show that the switching power supply has some advantages, such as stable output DC voltage, high conversion efficiency, small ripple, small size, with the expected effect attained.

OB2273； fl yback；switching power supply

TN86

A

1673-9833(2017)04-0039-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.04.007

2016-12-13

湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（16C0476）

韓召成（1990-），男，江蘇徐州人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)與系統(tǒng)，E-mail：914027210@qq.com