平面变压器5V/12A高功率密度开关电源设计

王朕 史贤俊 肖支才 张文广

（海军航空工程学院控制工程系，山东 烟台 264001）

1 引言

磁性元件的体积和重量在开关电源中占据相当大的比例，其重量通常占总重量的30%～40%、体积占总体积的30%～40%；降低开关电源的体积和重量、提高开关电源功率密度的一个重要方法，就是降低开关电源中必不可少的磁性元件—高频变压器的体积和重量。采用平面变压器可大大降低开关电源体积和重量，提高其功率密度；因此，磁性元件平面化已成为提高开关电源功率密度的一个重要趋势。此外，磁性元件还是影响开关电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。同步整流技术采用了低通态电阻的MOSFET代替普通二极管进行整流，可大大提高开关电源的效率；尤其是输出电压较低而输出电流较高时，同步整流技术更具有不可替代的优势。

本文选用对称半桥式电路为主电路、TL494为控制芯片，综合采用平面变压器和同步整流技术研制了一台48 V/5 V(12 A)高功率密度开关电源，该电源具有过流、过载保护功能，还具有输出电压纹波小（满载时10 mV）、效率高（可达92%）和体积小等优点。

2 开关电源设计

开关电源原理框图如图1所示，开关电源由主电路和控制电路两大部分组成[1,2]。48 V直流电经稳压和过流保护电路后输入对称半桥式变换电路，首先将稳压后的直流电变换成交流电，再经高频变压器变压后输入全波同步整流电路变换成直流电，经稳压滤波电路后变成恒定的+5 V直流电源；对+5 V输出电源的电压和电流进行采样，该采样值输入控制电路与预先设定的电压值和电流值进行比较实现稳压功能和过载保护功能；当输入电压、输出电压或负载发生波动时，控制电路中的 PI调节电路可以迅速调节半桥式变换电路中开关管的脉冲占空比，使得输出电压迅速稳定在5 V，从而提高开关电源的动态响应性能。

图1 开关电源原理框图

2.1 主电路设计

开关电源主电路由稳压和过流保护电路、对称半桥式变换电路[3]、同步整流电路[4,5]、稳压滤波电路和电流电压采样电路组成（图1所示），其原理图如图2所示。电容C1、C2和C12和熔断器FUSE构成稳压和过流保护电路。电容C3、C4、C10和 C11、电阻 R9和 R10、MOSFET V1和 V2、平面变压器T构成对称半桥式变换电路；其中，电容 C10和电阻 R9、电容 C11和电阻 R10分别构成 V1和 V2的 RC缓冲电路，可有效降低 MOS管电压变化率和开关损耗；电容C3和C4大小相等，因此，该电路具有动态响应好、MOS管耐压低等优点。同步整流管 VSR1和 VSR2、电容 C7和C8、电阻R6和R7构成同步整流电路；其中，VSR1和 VSR2为低通态电阻的 MOSFET，电阻R6和电容C7、电阻R7和电容C8构成同步整流管的RC缓冲电路，可以减小整流管的电压变化率和开关损耗，提高开关电源的效率。电感L和电容 C5和 C6构成输出滤波电路。电阻 R1～R6、理想运放 U1构成电压电流采样电路；其中，电阻R1和 R2通过串联分压对输出电压进行采样；电阻R3～R6和理想运放U1对负载电流进行采样。

2.2 平面变压器设计

平面变压器相对于绕线变压器具有寄生参数固定的优点，其设计主要包括：磁芯结构的选择，气隙的计算，最大占空比的计算，初次级绕组形状、匝数、线宽和线间距的计算。本文设计的开关电源基本参数如下：输入电压为48±12 V、输出电压为5 V、输出电流0A～12 A连续可调、纹波电压小于15 mV。

图2 主电路原理图

图3 平面变压器初次级绕组印制板图形

平面变压器的初次级绕组均印制在电路板上，根据磁芯形状的不同，绕组形状主要有矩形和圆形两种。圆形绕组相对于矩形绕组具有绕组利用率高的优点，因此，本文采用圆形绕组（如图3所示），初次级绕组采用交错布置有效减小了变压器漏感[6,7,8]。变压器参数计算过程如下：

1）输出功率P0

其中：U0、I0分别为电源的输出电压和输出电流。

2）确定磁通密度B和电流密度J

磁通密度B的选择首先要保证变压器磁芯不会饱和，选得太小则需要结构常数更大的磁芯，选得过大则增加磁芯损耗，通常磁通密度B为磁芯饱和磁通密度BS的1/2到2/3。通常电流密度J并不能决定绕组的交流损耗，它只能决定绕组的直流损耗；由于平面变压器可以忽略集肤效应的影响，因此在允许温升的条件下最小工作电流密度可通过估算得到。设计时，确定磁通密度B=0.12 T；由于绕组温升限定为变压器温升（30°C）的一半为15°C，因此确定电流密度J=30 A/mm2。

3）确定磁芯结构常数、选择磁芯

磁芯结构常数计算公式如公式（2）所示。其中，kh是板层间隙常数；wt是电路板的厚度；η是变压器效率；Kf是波形系数；B是磁通密度；f是工作频率；J是电流密度；H是印制线厚度；Ui是初级绕组电压；U0是次级绕组电压；wd是印制线间距。

本文中，根据印制板材料及厚度，选板层间隙常数kh=1.2；印制板厚度wt=0.8 mm；变压器效率η=0.94；半桥式变换器次级绕组波形近似为方波，故波形系数Kf=4.0；磁通密度 B=0.12T ；工作频率f=300 kHz；电流密度J=30 A/mm2；印制线厚度 H=35 μm；初级电压按最大值计算Ui=60 V；考虑到空气中的绝缘问题，印制线间距wd=0.4 mm；次级绕组电压U0=5.5 V。由公式（2）计算的磁芯结构常数为：

选择Ferroxcube公司的RM-W型磁芯，其结构常数为1010 mm4，该磁芯有效截面积Ae=35.7 mm2。

4）计算初次级绕组匝数

初级绕组匝数：

次级绕组匝数：

5）计算初级绕组电流

6）初次级绕组线宽

初级绕组线宽：

次级绕组线宽：

（次级有两个绕组，故电流有效值取输出电流最大值的1/2进行计算）

7）变压器效率计算

由磁芯的结构可知一圈印制线的平均长度L=2π×12.6=79.2≈80 mm，铜的电阻率 ρ=1.7×10-8Ωm，由公式（k表示绕组数）计算得变压器铜损为3.67 W；通过磁芯手册查得300 kHz频率。磁通密度0.12T时，单位体积损耗P=150 mW/cm3，磁芯体积Ve=10.2 cm3，故铁损为1.53 W；所以变压器总损耗为5.2 W。因此效率，满足设计要求。

8）计算温升

考虑到变压器的温升为 30°C（步骤（2）），由公式计算的散热面积为 147 cm2。因此，将变压器贴在面积为160 cm2的金属铝板上。

2.3 控制电路设计

图4 控制电路原理图

控制电路原理图如图4所示[9]，输出电压采样信号 Uf通过电压跟随器 U2后接入控制芯片TL494的1脚；2脚设定了一个基准参考电压；2脚和3脚通过电阻R25和电容C20形成一个PI调节器，通过调节13脚的电压，可以改变输出脉冲的形式。输出电流采样信号If接入16脚，而15脚设定一个参考电压，二者比较可以限定最大输出电流，从而限定最大负载功率，起到过载保护的作用。14脚的+5V基准电压进过电容C21和电阻R26并联支路后接到4脚构成软起动电路，电路正常工作后，4脚的值限定了死区时间，即输出驱动信号的最大占空比。9脚和10脚输出两路互补的PWM脉冲信号，通过光耦隔离后，形成4路PWM脉冲信号，分别驱动主开关管V1、V2和同步整流管VSR1、VSR2。

3 实验结果

表1中给出了电源工作频率为300 kHz时输入电压分别为36 V、48 V、60 V和负载电流为3 A、6 A、8 A时，开关电源的输出电压、纹波和效率的实验数据。从实验结果看， 当负载电流为满载12 A、输入电压分别为36 V、48 V和60 V时，电源的输出电压为4.93 V、5.00 V和5.05 V，电源输出电压的纹波峰峰值分别为 6.2 mV、8.7 mV和9.2 mV，电源的效率分别为91.3%、90.8%和90.0%，完全达到了设计要求。

表1 开关电源测试结果

当输入电压为48 V、输出电流为12 A时，主开关管V1、V2的驱动信号和输出电压波形如图5所示。可以看出，满载时驱动波形最大占空比为45%，输出电压为5 V。满载情况下，当电源输入电压由40 V跃变到48 V时，实测其输出电压稳定时间为0.2 s，动态性能较好。

图5 满载时开关管的驱动波形（上）和输出电压波形（下）

4 结论

平面变压器技术有效减小了开关电源体积、提高开关电源功率密度；同步整流技术可减小整流管的开关损耗、提高开关电源的效率，而且可有效降低整流管的压降，因此常用于低压大电流开关电源。本文选用对称半桥式电路为主电路、TL494为主控芯片，综合运用平面变压器技术和同步整流技术，设计研制了一台48 V/5 V(12 A)的开关电源。实验结果表明该电源满载时，效率可达90%，纹波峰峰值小于10 mV，具有体积小、效率高、功率密度大、动态相应快等优点。

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