崔海濤，周耿，羅一銘，王翠霞，祝龍輝

（中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南鄭州，450000）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，電子產(chǎn)品的應(yīng)用逐漸廣泛，穩(wěn)定可靠的電源就顯得尤為重要。依據(jù)工作方式不同大致可將電源分為開關(guān)電源和線性電源兩大類，開關(guān)電源作為一種通過多個無源、有源器件的組合進(jìn)行連續(xù)開關(guān)并不斷存儲、釋放能量完成功率變換的電源電路系統(tǒng)，其功耗小、隔離性好、范圍寬、效率高等優(yōu)點。除此之外，開關(guān)電源的重量是線性電源的1/4，相應(yīng)的體積大概是線性電源的1/3[1~2]。傳統(tǒng)的開關(guān)電源除了功率開關(guān)管之外還包括50 個左右的分立元件，集成度較低。隨著制造技術(shù)的提升，將低壓電子器件制造成IC 技術(shù)趨于成熟，隨之開關(guān)電源應(yīng)用范圍也逐漸廣泛。

1 工作原理

反激式開關(guān)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，首先，通過濾波電路對交流輸入信號進(jìn)行處理，抑制差模和共模干擾并將交流轉(zhuǎn)換為直流信號。然后，由PWM 控制電路控制VDMOS 功率管的通斷，進(jìn)而控制變壓器原邊側(cè)的通斷，以確保變壓器副邊側(cè)的電壓穩(wěn)定。最后，輸出信號經(jīng)過濾波整流電路剔除因功率管高頻通斷而產(chǎn)生的干擾信號，進(jìn)而減小電壓紋波，實現(xiàn)AC-DC 的轉(zhuǎn)換。通過這種方式可高效地轉(zhuǎn)化出多路高質(zhì)量的直流電壓。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 高頻變壓器的設(shè)計

高頻變壓器作為開關(guān)電源能量傳輸、電壓變換與電氣隔離的核心器件，直接影響開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)，對電源的轉(zhuǎn)換效率有較大的影響，故而高頻變壓器設(shè)計在開關(guān)電源設(shè)計中具有重大意義。

■2.1 磁芯材料的選擇

高頻變壓器常采用 EE 或 EI 型磁芯，本設(shè)計中采用 EI型磁芯，其具有形狀簡單、漏感小、熱特性好等優(yōu)點。

目前，應(yīng)用最廣泛的磁芯元件是錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。錳鋅鐵氧體磁芯磁導(dǎo)率高，電阻率約在103Ω·cm，常應(yīng)用在高頻工作場合。鎳鋅鐵氧體磁芯磁導(dǎo)率較低電阻率大約在106～1012Ω·cm，應(yīng)用頻率在1MHz 以下。選用錳鋅鐵氧體磁芯材料。

■2.2 變壓器設(shè)計

設(shè)計指標(biāo)： 開關(guān)電源的交流輸入范圍是：220VAC±20%，整流后直流電壓范圍： 240~380V；電壓/電流：±24V±5%@1.8A，紋波：<20mV；功率：43W；η=90%。經(jīng)計算的最大占空比約為 0.367。

（1）磁芯選取

根據(jù) AP 法選取磁芯型號[3]，選取滿足要求的最小磁芯為 EI33。

（2）初級繞組的匝數(shù)

對于反激式電壓變換器，依據(jù)磁芯參數(shù)計算變壓器繞組的匝數(shù)，通常在輸入電壓最小的情況下占空比最大。初級繞組匝數(shù)為：

其中，B為磁通密度，S為橫截面積，P為輸出功率。

（3）次級繞組的匝數(shù)

其中，D為占空比；UF為整流管的正向壓降，取0.7V；UOR為次級的最大反射電壓，在裕量為120V 的條件下，UOR=100。

3 反激式開關(guān)電源電路設(shè)計

通過 EMI 電路濾除來自電網(wǎng)噪聲，整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。變壓器通過耦合為負(fù)載提供滿足需求的電能，在電能轉(zhuǎn)換的這一過程中，為了確保輸出電能的質(zhì)量，引入了反饋調(diào)節(jié)機制，AiP3842 依據(jù)反饋信號調(diào)節(jié)PWM 占空比，進(jìn)而控制MOS 管的通斷，達(dá)到穩(wěn)定電壓的效果。電源結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖

■3.1 AiP3842 外圍電路設(shè)計

通過搭建AiP3842 外圍電路，通過不斷控制MOS 管的通斷，進(jìn)而控制變壓器的耦合時間，確保提供穩(wěn)定的電壓輸出。圖3 中，DC 為直流電壓，T1、T2 連接變壓器，dcsamp 接電壓反饋信號。

（1）芯片供電電路

電路中AiP3842 的供電分為啟動和工作兩個階段，啟動階段：由 R7、C4 組成啟動電路，上電后，直流電通過熱敏電阻R9 進(jìn)行限流，經(jīng)過R7 后給C4 充電至16V，工作電流為1mA，D1 防止浪涌電壓損壞元器件。在進(jìn)入正常工作階段后，變壓器輸出18V 為AiP3842 供電。為確保正常啟動，C4 的容值必須夠大才行，選擇為 100uF/50V，根據(jù)公式（4）R1=308kΩ，其中，UI 為整流后的直流電壓。

AiP3842 通過輸入時鐘信號，確保PWM 信號的可靠性。AiP3842 內(nèi)部有一個鋸齒波振蕩器，本設(shè)計通過C2、C3、R3 來設(shè)定 AiP3842 的工作頻率。

（2）電流反饋與電壓反饋

通過電阻將電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，將該路信號引入AiP3842，AiP3842 內(nèi)部誤差放大器依據(jù)反饋信號做出相應(yīng)處理，進(jìn)而調(diào)節(jié)PWM 輸出起到調(diào)節(jié)電源的作用。在輸出端接入RC 電路以減小因變壓器線間電容產(chǎn)生的電流尖峰，根據(jù)電流尖峰的持續(xù)時間設(shè)定RC 電路的時間常數(shù)，經(jīng)測量該尖峰時長通常為幾百納秒。本設(shè)計中取常用值 R8=1kΩ，C5=500pF，則時間常數(shù)。

當(dāng)AiP3842 的3 引腳的電壓超過設(shè)定的閾值時，通過調(diào)節(jié)PWM 占空比，進(jìn)而降低ISENSE 引腳的電壓，進(jìn)而起到限流的作用。

通過HPC817 及7W431 搭建電壓反饋電路，搭配AiP3842 達(dá)到很好的效果，輸出電源調(diào)整率在±0.2%。電壓反饋電路如圖4 所示。

圖4 電壓反饋電路圖

■3.2 功率管驅(qū)動電路

通過改變柵極電壓來控制MOS 管的通斷，為了確保PWM 信號的穩(wěn)定性，避免因引腳懸空出現(xiàn)電平不確定的情況，受到干擾電壓的影響會出現(xiàn)誤導(dǎo)通的問題，柵極連接下拉電阻R5。MOS 管的漏極與變壓器相連，由于變壓器存在漏感現(xiàn)象，在MOS 在關(guān)斷時，會有一部分的能量無法從原邊傳輸至副邊，因此變壓器部分儲能電感在系統(tǒng)關(guān)斷截止?fàn)顟B(tài)期間會儲藏一定的電荷量，進(jìn)而產(chǎn)生尖峰電壓[4]。如果不進(jìn)行處理直接施加在MOS 管漏極上，容易擊穿MOS 管，C7、D3 和R14 組成緩沖吸收電路，D7 進(jìn)行電壓鉗位，利用TVS 管抑制瞬間高壓，防止擊穿MOS 管。如圖5 所示。

圖5 開關(guān)管驅(qū)動電路

目前的制造工藝造成MOS 管存在結(jié)電容，分別是CDG和CGS，進(jìn)而造成即使MOS 管關(guān)斷，電流也不會立即消失，當(dāng)這一電流足夠大時，將會導(dǎo)通MOS 管，D6、R4 和R15起到限流的作用[5]。在MOS 管開通和關(guān)斷的過程中，會產(chǎn)生較大的尖峰電壓、電流，增大驅(qū)動電阻會減小du/dt和di/dt降低MOS 管開關(guān)速率，但會增加功耗；驅(qū)動電阻的減小會使增大du/dt和di/dt，產(chǎn)生的電壓電流尖峰可引起誤動作，應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，對電阻進(jìn)行折中的選擇。

4 實驗結(jié)果

在電路的設(shè)計過程中，通過Multisim 進(jìn)行電路仿真，在仿真結(jié)果正常的情況下進(jìn)行實物搭建，實現(xiàn)輸入AC120V（50Hz），輸出DC24V，通過LDO 進(jìn)行降壓以滿足負(fù)載電壓需求。電源效率達(dá)到85%，開關(guān)頻率達(dá)到75kHz。經(jīng)驗證該開關(guān)電源輸出穩(wěn)定，性能可靠。圖6 為AiP3842 輸出的PWM 波形。圖7 為24V 輸出電壓。分別接入16W、32W 和64W 負(fù)載，同時測量MOS 管的VDS電壓，如圖8 ～10所示，在不同負(fù)載的情況下，MOS 管開關(guān)過程中產(chǎn)生的電壓波動穩(wěn)定，VDS峰峰值電壓并沒有因電流的增大而產(chǎn)生較大的變化。

圖6 PWM 波形

圖7 24V 電壓

圖8 64W

圖9 32W

圖10 16W

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一款開關(guān)電源，采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以國產(chǎn)元器件為基礎(chǔ)，在完成反激式開關(guān)電源功能驗證的同時，對國產(chǎn)器件進(jìn)行性能驗證。由試驗結(jié)果可知，該反激式開關(guān)電源輸出穩(wěn)定，性能可靠。