陳修計(jì)　陳漫

摘要：目前，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速，平面變壓器相對(duì)于傳統(tǒng)變壓器具有漏感低、轉(zhuǎn)換效率髙、散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。此處以印制電路板（PCB）上銅箔繞制線圈形成集成的EI平面變壓器，并進(jìn)行了反激式直流電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。首先運(yùn)用PEMAG和Maxwell對(duì)變壓器進(jìn)行3D建模仿真，控制氣隙使其電感量達(dá)到398.5|xH，滿足變壓器設(shè)計(jì)需求;通過PSPICE對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，優(yōu)化電路參數(shù);設(shè)計(jì)具有多路輸出的反激式轉(zhuǎn)換器PCB并進(jìn)行打樣和貼片。電路測(cè)試結(jié)果表明該反激式電源具有100￣400V的寬輸入電壓，輸出電壓12V/6V/3.3V，最大負(fù)載電流0.5A，開關(guān)頻率85kHz，效率可達(dá)82%;隨著負(fù)載和占空比的變化，控制輸出電壓穩(wěn)定，各路輸出電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均達(dá)到預(yù)期要求.

關(guān)鍵詞：變壓器;反激式電源;電路設(shè)計(jì)

引言

當(dāng)前，隨著開關(guān)電源性能要求的不斷提高，對(duì)其技術(shù)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。反激變換器具有輸入電壓范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電源設(shè)計(jì)。本文基于UC3844設(shè)計(jì)了單端反激開關(guān)穩(wěn)壓電源，取得了良好的穩(wěn)壓效果。

1變壓器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)需要注重變壓器設(shè)計(jì)，電源性能會(huì)直接影響變壓器設(shè)計(jì)合理性。變壓器輸出功率和輸入功率估算方面，按照輸出電壓和輸出電流設(shè)計(jì)大小對(duì)總輸出功率進(jìn)行計(jì)算，公式如下： 計(jì)算變壓器最大/最小流輸入電流和電壓。在經(jīng)過整流橋之后，交流電最小輸入直流電壓和最大輸入直流電壓可以按照以下公式計(jì)算： 最小輸入直流電壓計(jì)算公式中所減少的40V主要是直流紋波和整流橋壓降之和，在最小值計(jì)算中主要應(yīng)用上述公式。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的額定電壓在600V左右，因此在Vin（max）位置需要預(yù)留30V裕量。在該種情況下，漏極電壓應(yīng)當(dāng)小于560V，且漏極電壓在Vin+Vz，因此，滿足： 計(jì)算變壓器脈沖信號(hào)最大占空比方面，電網(wǎng)電壓在220V數(shù)值上波動(dòng)時(shí)，經(jīng)全波整流處理之后，直流輸入電壓數(shù)值最大可達(dá)到342V，最小可達(dá)到240V，將反射電壓設(shè)置為VOR時(shí)，則可以應(yīng)用以下公式計(jì)算出最大占空比： 在進(jìn)行計(jì)算之后得出： 峰值電流和紋波電流估算方面，在計(jì)算峰值電流和紋波電流時(shí)可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算： 通常情況下，KRP數(shù)值為0.4，如果交流輸入電壓為230V，則數(shù)值選取為0.6.單片反激開關(guān)電源在CCM模式下連續(xù)運(yùn)行。充分考慮器件資料，則開關(guān)電源設(shè)計(jì)KRP數(shù)值選擇為0.7.確定變壓器磁芯尺寸。相比于成品電感來說，磁性元件電感在設(shè)計(jì)期間需要增加氣隙從而加強(qiáng)磁芯儲(chǔ)存能量的能力，如果不存在氣隙，磁芯在存儲(chǔ)少量能量之后就會(huì)出現(xiàn)飽和。在增加氣體比較大，則會(huì)相應(yīng)加多匝數(shù)，從而加大繞組銅耗。其次，增加匝數(shù)會(huì)相應(yīng)加大繞組占用窗口的面積。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)期間需要考慮多種因素，利用下式進(jìn)行計(jì)算：

2平面變壓器設(shè)計(jì)仿真

2.1變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)的初始條件：輸入電壓為100-400V，輸出功率為12W，輸出兩路隔離電壓/電流為12V/0.5A，輔助繞組側(cè)12V輸出電壓后接LDO降壓為6V，次級(jí)12V輸出電壓后接LDO降壓為3.3V，多路隔離的輸出可供各控制芯片使用或者驅(qū)動(dòng)MOSFET等。輸出電壓紋波嘛<90mV，開關(guān)頻率為85kHzo初、次級(jí)的最大匝數(shù)比由滿載最大開關(guān)頻率、DCM諧振時(shí)間等決定。首先，根據(jù)目標(biāo)開關(guān)頻率和DCM諧振時(shí)間確定占空比，一般假設(shè)DCM諧振頻率為500kHz，tR=2EA，s，根據(jù)轉(zhuǎn)換模式操作的限制，要求從次級(jí)電流導(dǎo)通結(jié)束到第1個(gè)u}電壓谷值的周期是DCM諧振周期的1/2。計(jì)算出最大占空比為： 式中 占空比確定后，次級(jí)繞組的電壓等于輸出電壓、次級(jí)整流器壓降以及電纜補(bǔ)償電壓之和，初、次級(jí)的最大匝數(shù)比為： 式中：U}，為輸出電壓;鑄為整流管上的壓降漢I}為其他電路造成的一個(gè)電壓損耗。

2.2反激電路參數(shù)選擇

1）開關(guān)器件參數(shù)選擇及選型根據(jù)UC3844的4管腳接入的RC值，可得PWM波頻率為153.3kHz，開關(guān)器件承受最大電壓值為393V，開關(guān)器件的額定電壓為786～1179V，額定電流范圍為0.50～0.66A。本文最終選擇了TO-220F封裝的7N65MOSFET作為開關(guān)器件。2）肖特基二極管參數(shù)選擇及選型流過每個(gè)肖特基二極管的電流平均值為1.25A，有效值為1.77A。由于肖特基二極管承受的最大電壓為45.5V，考慮安全裕量，肖特基二極管的額定電壓為91.0～136.5V，額定電流為1.69～2.25A。本文最終選擇了SR3100肖特基二極管（最大耐壓值100V，正向平均電流最大值3A）。

2.3反饋控制

電路的反饋穩(wěn)壓原理如圖3所示。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，經(jīng)電阻R11、R10和R12分壓后，接到TL431參考輸入端（誤差放大器的反向輸入端）的電壓隨之升高，導(dǎo)致TL431端的電壓Vka下降，而流經(jīng)光耦二極管的電流if變大。電壓下降電流升高，造成光耦集射極瞬態(tài)電阻值變小，UC3844引腳1的電平變小，導(dǎo)致PWM鎖存器發(fā)生復(fù)位，脈沖變窄，MOSFET功率管的導(dǎo)通時(shí)間變短。

2.4驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路電壓為16V，在開啟電源之后，經(jīng)整流濾波的交流電能夠獲得直流電，利用電阻降壓后能夠?yàn)槠涮峁╇娔埽?dāng)電壓滿足16V之后，啟動(dòng)芯片會(huì)產(chǎn)生波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)，與柵極阻尼電阻進(jìn)行串聯(lián)。在進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)之后，電源變壓器副邊繞組所產(chǎn)生的交流電經(jīng)過整流濾處理之后能夠?yàn)樾酒峁╇娫础?/p>

2.5 整流電路

1）交流輸入優(yōu)化電路交流輸入優(yōu)化電路中，將220V交流電從9500-5///3端口輸入后，采用熔斷器F1和熱敏電阻N1進(jìn)行過載保護(hù)和短路保護(hù)，開關(guān)SW1控制通斷。為減小輸入電源的噪聲干擾，提高安全性，在二極管整流橋之前增設(shè)安規(guī)電容和共模濾波電感LF1。安規(guī)電容的特點(diǎn)是即使失效后，也不會(huì)導(dǎo)致電擊，不危及人身安全。其中，CX1（X型安規(guī)電容）跨接在L與N（零線）之間，抑制差模干擾;CY1和CY2（均為Y型安規(guī)電容）分別跨接在L與FG之間、N與FG（接地線）之間，抑制共模干擾。之后，利用共模濾波電感LF1再次濾除干擾，為整流電路的輸入提供有效保障。2）整流電路整流電路選用電容濾波的單相不可控整流電路，整流橋選用普通整流二極管1N4007，交流電壓經(jīng)D1～D4整流及大電容C1濾波后，得到大小約為311V的直流電壓。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素及其他因素，最終選擇大小為82μF的濾波電容C1。由于二極管1N4007的最高反向承受電壓為1000V，最大電流平均值為1A，因此二極管選用1N4007。電容濾波的單相不可控整流電路，輸出電壓是0.9U2～22U，空載時(shí)，R為無窮大，放電時(shí)，常數(shù)無窮大，輸出電壓最大，為22U，約311V。整流電路輸出波形為一條直線，近似為311V的直流電，可以達(dá)到預(yù)期值。

結(jié)語

設(shè)計(jì)了基于兩相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器的精細(xì)等離子電源，通過分析輸出電流紋波機(jī)理，得到抑制方法與主電路器件選型方案。在電流閉環(huán)控制中加入數(shù)字濾波器，提高了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)特性。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行260A的切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形中輸出電流紋波被很好地抑制，切割樣件表面光潔無掛渣、垂直度好，達(dá)到了精細(xì)切割的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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