王金雪，梁二文，劉政宇，徐博，郭鴻濤

（1.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022；2.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 引言

電源是電器設(shè)備必不可少的一部分，開關(guān)電源與線性電源是目前應(yīng)用最廣泛的電源。隨著電力電子相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，開關(guān)電源相關(guān)技術(shù)不斷創(chuàng)新，逐漸向集成化、小型化、精密化、高頻化等方向發(fā)展。開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于中小型家用電器、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、軍事與國防、航天技術(shù)等領(lǐng)域，近年來，開關(guān)電源行業(yè)總體發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在我國電源行業(yè)占有較大比重[1]。本文分析正激開關(guān)電源的工作原理，提出合適的設(shè)計(jì)方案，對(duì)參數(shù)計(jì)算和器件選擇有較多討論。

1 概述

開關(guān)電源是一種高頻轉(zhuǎn)化裝置,可以通過不同的變化電路得到需要的輸出電壓和電流。具有損耗小、效率高，穩(wěn)壓能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

正激變換器是隔離型開關(guān)電源，與同屬隔離型開關(guān)電源的反激變換器結(jié)構(gòu)和原理有較多相似處。隔離型開關(guān)電源輸入輸出不共地，通過電磁感應(yīng)作用實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，具有很好的安全性，其與非隔離型電源的主要區(qū)別在于是否有隔離變壓器。

正激式變換器多用于大功率場(chǎng)合，可調(diào)節(jié)單個(gè)開關(guān)管占空比調(diào)節(jié)輸出電壓，此為單管正激，還有一種方法為通過兩個(gè)開關(guān)管交替導(dǎo)通改變輸出電壓，為雙管正激。單管正激需要專門的磁復(fù)位電路，雙管正激磁復(fù)位方式較簡(jiǎn)單，且開關(guān)管承受的電壓減半，電路更為復(fù)雜[3]。

2 工作原理

2.1 正激變換器

在給Buck電路加入變壓器隔離的情況下，如果沒有磁復(fù)位繞組，開關(guān)管導(dǎo)通，變壓器原邊、副邊的電壓為上正下負(fù)，變壓器原邊的勵(lì)磁電流從零開始線性增加，開關(guān)管關(guān)斷，電流不再增加，開關(guān)管下一次開通時(shí)，電流繼續(xù)增加。電流達(dá)到一定程度時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度不再增加，變壓器磁芯飽和，導(dǎo)致繞組電感量大大降低，由于電感感抗對(duì)電流有阻礙作用，電感量降低導(dǎo)致電流急劇增大，可能損壞開關(guān)元件，需要加入磁復(fù)位繞組。開關(guān)管關(guān)斷，變壓器原邊副邊無電流流過，能量轉(zhuǎn)移到磁復(fù)位繞組，與二極管、電源形成回路，向電源反饋能量。電路降壓原理與buck相同，即開關(guān)管導(dǎo)通，變壓器一次、二次繞組上正下負(fù)，通過整流二極管向負(fù)載供電，流過電感的電流逐漸增大，開關(guān)管關(guān)斷，電感電流不為零且不能突變，流經(jīng)續(xù)流二極管，形成回路。在實(shí)際應(yīng)用中續(xù)流二極管壓降可能在0.5V左右，對(duì)小功率開關(guān)電源來說損耗較大，可用開關(guān)管代替續(xù)流二極管以減少損耗。

2.2 反饋隔離

反饋隔離通過PC817與TL431配合實(shí)現(xiàn)，TL431是一種可動(dòng)態(tài)改變穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓源，其外接兩個(gè)電阻，改變電阻阻值即可改變基準(zhǔn)值，其動(dòng)態(tài)輸出阻抗低，典型值為0.2Ω。三個(gè)管腳分別為陽極、陰極、參考極。具體工作原理為：當(dāng)正激變換器輸出電壓升高，采樣電阻分壓增大，因而TL431采樣值增大，流過TL431的電流也增大，內(nèi)部電路分壓增大，導(dǎo)致輸出管腳電壓減小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用[4]。

PC817是光耦器件，共有四個(gè)引腳，為兩個(gè)輸入端與兩個(gè)輸出端，其工作原理為發(fā)光二極管有電流流過時(shí)，光信號(hào)可看作光電晶體管的輸入電流，晶體管放大后有一定的輸出，輸入與輸出無電氣連接，實(shí)現(xiàn)隔離。

PC817輸出端管腳連接UC3844的COMP（補(bǔ)償管腳）與8腳（參考），輸入連接TL431陰極，當(dāng)TL431導(dǎo)通電流增大時(shí)，PC817輸入電流也增大，輸出端電流增大，芯片的參考電壓降低，PWM占空比減小。反之，輸出電壓降低時(shí)，PWM占空比增大。

2.3 芯片

芯片選擇UC3844，它是高性能電流模式控制器。PC817的輸出由芯片補(bǔ)償管腳輸入，內(nèi)部電路具有一個(gè)僅灌正真邏輯的誤差放大器，輸入1腳的電感電流與誤差放大器的輸出接在一起，當(dāng)二者相等時(shí)，送入電流檢測(cè)比較器的電平即不再增加。該電平與來自電流取樣管腳的取樣電流進(jìn)行比較，送入脈寬調(diào)制鎖存，只有振蕩器在下個(gè)周期送入信號(hào)時(shí)，鎖存器的輸出狀態(tài)才會(huì)改變[5]。

電流取樣管腳同向端（3腳）連接了開關(guān)管源極與地之間串聯(lián)的電阻，此電阻將取樣電流轉(zhuǎn)換為電壓。由于電流比較器的比較輸出作用，電感電流能達(dá)到的最大值隨取樣電流變化。如果電源輸出太高，電流檢測(cè)比較器的比較門限為前衛(wèi)二極管的電壓1V。芯片內(nèi)部還有一個(gè)圖騰柱結(jié)構(gòu)，其功能和外部電路圖騰柱功能相同，可以放大驅(qū)動(dòng)外部mos管的電流。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)：輸入電壓范圍：DC 40～48V

額定輸出：5V，5A

滿載效率：η＞=80%

輸出最大紋波電壓ΔVop-p＜=60mV

開關(guān)頻率：75kHz

3.2 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體流程圖

3.3 各部分電路設(shè)計(jì)

3.3.1 整體電路

系統(tǒng)整體電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體電路圖設(shè)計(jì)

3.3.2 輔助電路

輔助電路可以用較簡(jiǎn)單的BUCK電路實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的效率影響相對(duì)于穩(wěn)壓芯片可能更大。常用的穩(wěn)壓芯片為78xx系列，UC3844為16V啟動(dòng)，可以選用7818，但是78xx系列芯片輸入電壓不能超過36V[6]；LM317也是一款可穩(wěn)壓的電源類芯片，其輸入電壓不能超過40V，所以當(dāng)從輸入端采的電壓為40～48V時(shí)，需要選用更高耐壓值的芯片代替。輔助電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 輔助電路設(shè)計(jì)

LM2576是一款常用的DC-DC降壓型穩(wěn)壓芯片，其輸出電流可達(dá)3A，外圍元件簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)容易，具有很高的工作效率[7]。LM2576系列具有較大的調(diào)節(jié)范圍，有輸出電壓為范圍內(nèi)固定值的，也有輸出電壓為范圍內(nèi)可調(diào)值的，帶有后綴字母“Adj”的輸出電壓可調(diào)。該芯片的輸入電壓可以為低壓也可以為高壓，芯片后綴為“HV”，其輸入電壓可達(dá)40～60V，低壓的輸入電壓為40V。為留出一定裕量，本設(shè)計(jì)選用輸出電壓可調(diào)的LM2576-Adj。

3.3.3 驅(qū)動(dòng)電路

三極管具有開關(guān)和放大作用，三極管集電極電流受基極電流控制，Ic=βIb,如果放大倍數(shù)足夠大，基極電流很小的變化會(huì)引起集電極電流很大的變化[8]。假設(shè)mos管寄生電容較大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來時(shí)，mos管處于關(guān)斷狀態(tài)，UGS=0，UGD為負(fù)的輸入電壓，CGS充電，CGD放電，柵源極電壓UGS逐漸升高。UGS到達(dá)閾值電壓時(shí)有電流流過，CGD較大，放電時(shí)間較長，柵極驅(qū)動(dòng)電流基本用于CGD放電，柵源電壓增加緩慢，所以寄生電容影響開關(guān)速度，在高頻電路中，需要加入驅(qū)動(dòng)電路，其作用是放大電流，抵消寄生電容的作用。

本設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)三極管組成，三極管基極連接在一起，通過電阻連接芯片輸出管腳，輸出信號(hào)經(jīng)Q3的放大作用驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，加快mos管啟動(dòng)；Q4集電極接地，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，寄生電容經(jīng)Q4放電，關(guān)斷速度加快[9-10]。本設(shè)計(jì)中Q3和Q4也稱為對(duì)管，通常選用8050和8550，8050為PNP型三極管，8550為NPN型三極管。輸入電壓可以和芯片相同，所以接在芯片電源管腳。

4 參數(shù)計(jì)算

4.1 變壓器部分

選 擇PC40材 料：Bs=0.39TBr=0.055TΔBm=0.2T

選 擇EE40Ae=128mm2Aw=108Ap=1.3824cm4

取Dmax=0.43Vin=Vinmin

取Nm=Np=9

4.2 電感器部分

選 磁 芯 型 號(hào)T106-26μr=75Bs=1.4T Al=93nH/N2Lc=6.49

5 仿真電路

與實(shí)際參數(shù)計(jì)算略有不同，在變壓器參數(shù)計(jì)算中，實(shí)物設(shè)計(jì)主要考慮磁芯選擇、匝數(shù)和線徑選擇等，而在仿真過程中則要對(duì)變壓器各相阻值與電壓值稍作修改，用示波器和電壓表電流表可對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，Matlab仿真如圖4所示。輸出電壓為4.972V，輸出電流為4.972A，設(shè)計(jì)的效率可達(dá)到85%以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖4 Matlab仿真圖

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的單管正激電路實(shí)現(xiàn)了輸入為DC 40～48V，輸出為5V/5A的功能，選用UC3844控制開關(guān)管占空比，對(duì)部分外圍元件的選型也經(jīng)過了嚴(yán)格的參數(shù)計(jì)算，在Matlab 仿真電路中，應(yīng)用PID實(shí)現(xiàn)反饋功能，與實(shí)際電路原理一致，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。