韓 曉

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用及現(xiàn)狀

隨著開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用和推廣，其應(yīng)用的高效性和體積重量的輕便性等特點(diǎn)，使其在電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中承擔(dān)著越來(lái)越重要的角色。目前，開(kāi)關(guān)電源在各種通信終端等電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，最具代表性的就是300～500 kHz電源，其制造的核心是金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET），已逐漸發(fā)展成為市場(chǎng)主流的DC-DC開(kāi)關(guān)電源。但隨著市場(chǎng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和現(xiàn)代信息技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展，對(duì)工作頻率的要求也越來(lái)越高，因此在未來(lái)高頻化發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)中，要切實(shí)加強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用探索，繼續(xù)優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量和體積，進(jìn)一步拓展開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用范圍[1-3]。

近年來(lái)，在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的背景下，電子產(chǎn)品和元件的輕便化和集成化要求也越來(lái)越高，在未來(lái)發(fā)展和應(yīng)用中要緊密結(jié)合環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展理念，在保障高頻率需求的基礎(chǔ)上，穩(wěn)步提高開(kāi)關(guān)電源的制造工藝，尋求磁性材料及半導(dǎo)體元件等高新技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用的突破，為開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展提供新的活力，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源工藝水平的跳躍式發(fā)展。

2 基本反饋電路及反激式電源變換器

2.1 基本反饋電路

以DC-DC開(kāi)關(guān)電源為例，電路輸出端電壓的采集依靠采樣電阻R完成。在電壓信息采集完成后，將獲取到的各項(xiàng)電壓變化信息傳輸?shù)娇刂菩酒?，由其完成電壓的調(diào)控。作為開(kāi)關(guān)電源中最基本的反饋電路，其設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本消耗較低，但穩(wěn)定性較差，抗干擾能力不強(qiáng)[4]。

2.2 反激式DC-DC電源變換器

以反激式開(kāi)關(guān)電源為例，變壓器原邊能量的儲(chǔ)存是在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通后進(jìn)行的，其能量?jī)?chǔ)存的來(lái)源是電源的能量。能量?jī)?chǔ)存過(guò)程中，電流將不斷上升，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致副邊產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。輸出端設(shè)置了整流二極管，在其防反功能作用下并不會(huì)產(chǎn)生有效的電流。如果開(kāi)關(guān)管突然關(guān)斷，那么變壓器原邊的電流會(huì)發(fā)生突變。在法拉第電磁感應(yīng)作用下，變壓器的副邊會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存能量向負(fù)載供能。

反激式DC-DC電源變換器的繞組是根據(jù)功能需要進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)的，保證了變壓器的原邊和副邊不能同時(shí)導(dǎo)通。據(jù)上述分析來(lái)看，開(kāi)關(guān)管的儲(chǔ)能過(guò)程是在導(dǎo)通時(shí)和關(guān)斷時(shí)完成的，且互相獨(dú)立，因此此升降壓變換器屬于衍生拓?fù)洹?/p>

3 單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

本文將選取如1圖所示的單端反激式開(kāi)關(guān)電源為例，進(jìn)行升壓?jiǎn)味朔醇な介_(kāi)關(guān)電源拓?fù)溲芯?。其控制核心是UC3845，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為150 kHz，輸入為12 V的直流電源，通過(guò)DC-DC變換為24 V輸出的直流電源，在穩(wěn)壓二極管作用下輸出+15 V和-8 V電壓。系統(tǒng)中采用的芯片是常見(jiàn)的脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）芯片中的一種，能夠借助新品有效控制PWM波實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的綜合調(diào)控。另外，系統(tǒng)中的Q5是系統(tǒng)的MOS管，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)時(shí)間的合理調(diào)控和設(shè)置，保障系統(tǒng)輸出的合理性和整體的穩(wěn)定性。

圖1 單端反激式開(kāi)關(guān)電源原理圖

系統(tǒng)的啟動(dòng)是在UC3845芯片控制下進(jìn)行的，啟動(dòng)之后將在整體調(diào)控下開(kāi)始正常工作。第一個(gè)工作周期內(nèi)芯片需要輸出高電壓，然后開(kāi)關(guān)管打開(kāi)后變壓器的原邊會(huì)產(chǎn)生突變電流，同時(shí)將進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存。根據(jù)儲(chǔ)能情況進(jìn)行控制，一直到儲(chǔ)能完成后將控制芯片再輸出低電壓，此時(shí)控制開(kāi)關(guān)管關(guān)閉。原邊內(nèi)電流將經(jīng)過(guò)D13的二極管實(shí)現(xiàn)續(xù)流，此時(shí)發(fā)生的電流突變將導(dǎo)致副邊產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，出現(xiàn)感應(yīng)電流，經(jīng)過(guò)副邊二極管D9和D14整流后，再經(jīng)儲(chǔ)能濾波電容出現(xiàn)，最終得到相對(duì)穩(wěn)定的輸出電流和輸出電壓。

如果需要不同的輸出電壓，輸出環(huán)境變化會(huì)通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行反饋和調(diào)整，保證輸出電壓和電流的合理性。一旦輸出端的負(fù)載變大，則其功率將瞬間增大，電壓將會(huì)突變減小。如果其低于正常的工作電壓，那么將會(huì)在輸出電路端進(jìn)行檢測(cè)完成系統(tǒng)反饋。該系統(tǒng)反饋過(guò)程的原理是基于準(zhǔn)電壓的反饋電路，通過(guò)TL431完成，在光耦的聯(lián)通下連接到FB引腳，反饋到控制芯片?？刂菩酒琔C3845得到反饋電壓等信息后，結(jié)合輸出電壓的變化信息合理控制PWM的占空比，保證在輸出電壓降低后，為其提供更多的能量保障電壓的穩(wěn)定。此外需要合理增加占空比和開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間，保障原邊能夠儲(chǔ)存更多的能量，保證輸出端電壓需求。儲(chǔ)能結(jié)束后關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，將更多的能量傳輸給輸出端，當(dāng)輸出能量需求變少或輸出負(fù)載變低時(shí)，反饋原理相同，達(dá)到穩(wěn)定的輸出狀態(tài)[5]。

3.1 單端反激式開(kāi)關(guān)電源的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

本文選取單端反激式開(kāi)關(guān)電源為例，合理分析和設(shè)計(jì)幾個(gè)相關(guān)參數(shù)。

傳統(tǒng)的變壓器原邊和副邊兩端電壓的比例和電流的比例是由匝比決定的，由于原理和設(shè)計(jì)的不同，導(dǎo)致反激變換器相關(guān)數(shù)值計(jì)算也有所差異。具體原因是其繞組不同時(shí)導(dǎo)通，所以要計(jì)算原邊和副邊的電壓，綜合計(jì)算輸入電壓VIN和占空比等數(shù)據(jù)。在開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管的過(guò)程中，VIN電壓只作用在變壓器的原邊，所以電壓VINR=VIN/n。其中n是電壓器的匝比，VINR是副邊電壓，但由于副邊的整流二極管存在，導(dǎo)致副邊此時(shí)并沒(méi)有電流流過(guò)。

綜上，變壓器繞組之間的電壓VP和VS可以通過(guò)感應(yīng)電壓方程來(lái)計(jì)算，電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為：

式中，NP、NS分別表示其繞組的匝數(shù)；表示磁通變化率。

通過(guò)計(jì)算能夠得到傳統(tǒng)變壓器的電壓成比例，也能夠進(jìn)一步揭示出傳統(tǒng)變壓器的匝比關(guān)系影響下的電壓變化等情況。但在反激式變壓器中，原邊和副邊是不同時(shí)導(dǎo)通的，所以詮釋反激式變壓器的電流比等情況，還需要從能量的角度出發(fā)根據(jù)其特點(diǎn)綜合考慮[6-8]。

其中，磁芯的能量為：

雖然反激式變壓器原邊和副邊的導(dǎo)通時(shí)間不一樣，但各個(gè)繞組的能量在不同時(shí)間必然等于上式的磁芯能量。那么：

式中，LP是原邊的電感值（開(kāi)路狀態(tài)）；LS是副邊的電感值（開(kāi)路狀態(tài)）。電感公式為：

式中，AL為設(shè)計(jì)時(shí)定義的電感系數(shù)。所以，在反激式變換器中有：

帶入能量方程可得出：

這就是正常工作狀態(tài)下的變壓器電流和匝比的關(guān)系。

3.2 單端反激式開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用功率范圍

單端反激式開(kāi)關(guān)電源在應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)用功率普遍不高，通常維持在100 W左右，而且是在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間完成的。開(kāi)關(guān)管開(kāi)通過(guò)程中不需要為負(fù)載提供輸出功率，為保證變壓器能夠復(fù)原，設(shè)計(jì)的占空比就不能大于0.5。另外考慮到單端反激式開(kāi)關(guān)電源在應(yīng)用過(guò)程中具有體積小和質(zhì)量輕等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往設(shè)計(jì)為低功率。如果強(qiáng)行將單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)成高功率輸出，會(huì)增大變壓器的體積，增加設(shè)計(jì)成本，在使用時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的損耗，降低開(kāi)關(guān)電源的效率，所以大功率的DC-DC轉(zhuǎn)換器都不使用單端反激式的開(kāi)關(guān)電源方案[9,10]。

4 結(jié) 論

單端反激式開(kāi)關(guān)電源在設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，體積小且質(zhì)量輕，不需要正激式開(kāi)關(guān)電源的大體積儲(chǔ)能濾波電感，也減少了續(xù)流二極管的配置，使其在體積設(shè)計(jì)上具有了更大優(yōu)勢(shì)，大大降低了設(shè)計(jì)成本。此外，單端反激式開(kāi)關(guān)電源不僅具有儲(chǔ)能功能，而且變壓效果和隔離作用較好，波紋干擾較少，使得輸出電壓更干凈，滿足多路輸出和小功率應(yīng)用需求。