反激式开关稳压电源设计

黄永军，岳 舟，谢四莲

(湖南人文科技学院通信与控制工程系，湖南娄底417000)

在电力电子技术高速发展的今天，人们在工作和生活中不可缺少的电子设备也不断被推向市场，而电子设备又离不开电源。电源供给电子设备运作所需的能量，这就决定了电源在电子设备中的重要性。电源的质量直接影响着电子设备的工作可靠性，所以电子设备对电源的要求日益提高。在提倡节能的社会，电源的效率是重中之重。而开关电源是现代电力电子技术中常见的一种技术，它是一种通过控制开关晶体管导通的占空比来维持稳定输出的电源。和线性电源相比，开关电源具有生产成本低，体积小，重量轻，电源输出组数多，极性可变，效率高等诸多优点。开关电源通常是由开关晶体管(MOS、IGBT等)和脉宽调制(PWM)IC 构成[1]。

随着不可再生能源日益减少，节能是一个迫在眉睫的问题。而开关电源的效率比传统的线性电源高很多。致力于开关电源的研究，提高开关电源的效率可以提高能源的利用率，更能实现节能的效果。当今社会电力电子技术的高速发展，使开关电源产业有着很大的发展平台。便携设备不断的推出，使得开关电源产业有着巨大的经济市场。走技术创新之路，提高电源的使用效率，加快我国开关电源产业的发展速度，研发出高效率的电源并推向市场能为我国国民经济的高速发展做出贡献。本文设计了采用TOP258YN(TopStitch-HX系列的一种芯片)控制的单端反激式开关电源，输出电压是24V(小于36V)，电压调整率小于1%，当该电源工作在220V交流时的输出效率可达87%以上。

一 单端反激式开关电源工作原理

单端反激式拓扑结构的典型应用电路如图1所示。在单端反激式开关电源中高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧这就是指单端。电路中的反激是指当开关管(VT1)导通时，高频变压器(T)初级绕组中的感应电压为上正下负，整流二极管(VD2)处于截止状态，此时初级绕组处于储存能量状态。当开关管(VT1)截止状态，变压器(T)初级绕组存储的能量，经过次级绕组及整流二极管(VD2)整流和电容(C)的滤波后向负载输出。故变压器在开关工作过程中，既能隔离变压，又可做为电感储存能量。因此单端反激式变换器又称为“电感储能式变换器”[2]。

单端反激式开关电源生产成本低，输出功率为20-100W，可以多组电压输出，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的外特性差，纹波电压较大，一般只用于负载相对固定的系统。工作频率在 20-200kHz之间[2]。

图1 单端反激式电源

在VT1导通期间输入直流电压 UIN加在原边绕组LP两端，提高了原边线圈中的电流线性:Ip=(E/LP)×t。当VT1截止时，原边电流幅值为(忽略VT1的饱和压降):

副边绕组的电压为:

在开关管VT1结束导通时，其集电极的电位变为高电平，原边绕组没有电流，副边绕组的感应电压极性反向，此时 VD2导通，Is向电容充电，变压器开始释放储能，副边电流下降，经变压器耦合并反射回原边，形成一个上负下正的反射电压:

当开关管(VT1)从导通变成截止时，原边绕组变为零电流，高频变压器传递能量转到副边，整流二极管(VD2)导通，副边绕组产生感应电流。

根据能量守恒定律，则变压器的原副两边能量满足:

式(4)中，IP2是开关管导通到截止瞬间原边电流的最大值，IS2为VT1刚副边电流是最大值。同理，当开关管VT1由截止转变到导通状态时，整流二极管截止，此刻副边绕组无电流流过，则通过释放过程，剩余的能量将返回初级，故有:

式(5)中，IP1是开关管(VT1)刚导通时原边绕组的电流初始值，IS1为整流二极管截止之前副边绕组中的瞬间电流。当VT1导通后，电路工作进入稳态，原边电流又持续增大，变压器(T)又开始储存能量。在VT1截止过程中，流过副边绕组的电流为:

式(6)中，UO是输出电压，IS2是开关管从导通到截止时刻副边绕组电流幅值。根据此式可知单端反激变压器副边电流三种工作状态。

因原副边电流、绕组匝数存在关系式:IP2LP=IS2LS，因此可得到关系式:

单位时间里的供电能量，即输入功率:

若不考虑电路的损耗，全部功率都传输到负载上，则输出功率等于输入功率:

二 硬件设计

(一)输入端设计

1．EMI滤波电路设计

EMI滤波电路设计如图2，电路中Fuse1是过流熔断丝，当电路发生过流时器件将会熔断，起到过流保护作用。RT1是热敏电阻起到热保护的作用。该EMI滤波电路设计是采用二阶LC型低通滤波器。这种电路有效的抑制了共模(CM)噪声和差模(DM)噪声。图中给出了各种元器件的有效值[3-4]。

图2 EMI滤波电路

2．整流滤波电路的设计

整流滤波电路的设计如图3，该设计中的整流电路采用的是桥式整流，并且使用的型号为KPB307的整流桥。KPB307的反向击穿电压可达1000V，正向可通过最大电流3A。足够用来作为该设计的整流方案。电路中的C1采用X电容(安规电容)，用来防止正在工作中的机器的电源线突然被拔掉时，电源线插头两端的带电电压过大。C14是经整流后的滤波电容(普通电容)，把整流后的电压再次经过滤波转换为变换器所需要的直流电压[5]。

图3 整流电路

(二)二次整流滤波电路的设计

二次整流滤波电路如图4所示。变压器副边感应电压经过 D21、C221、C222、C223、L21、C232整流滤波得到输出24V电压，其中D21是ES3D具有快恢复性，由于任何一只二极管从导通到截止或从截止到导通都不是瞬间完成的，它的转换过程都需要一定的转换时间，当开关管从截止转向导通时，尽管二极管上的电压已经反向偏置，但由于二极管中的少数载流子的存储效应，使得二极管会有一段时间(反向截止时间)呈低阻抗，之后才处于截止状态。于是输入电压通过开关管和二极管形成非常大的电流，这个电流通过回路中的C221、C222、C223会引起较大的高频阻尼振荡，经过平滑滤波后，在输出端形成开关波纹。

图4 二次整流滤波电路

同理，当开关管从导通到截止时也会形成开关波纹，并且具有一定的能量损耗，因而，D21选用的是反向恢复时间短、导通快的二极管并采用并联结构减小损耗，降低发热量。

(三)控制电路的设计

控制电路如图5所示，图中使用TOPSwitch-HX系列IC控制开关电路，电阻R13和R17串联接在电压检测端L上，实现线电压检测，做为IC的欠压与过压保护电阻，过压OV设定为400V，如果超过OV时，比如发生电涌，TOPSwitch-HX在电涌期间将停止转换从而使器件可以承受700V高压的冲击。SRQ1是散热片，因为芯片长期工作时会散发很大的热量，而且该芯片是工作频率是132KHz。所以散热设计方面也是很重要的一部分。TOPSwitch-HX系列IC的主要特点已在前面介绍，该设计采用的主控芯片是TOP258YN。

图5 主控电路图

三 系统调试结果

测试工具:接触调压变压器(1台)、功率检测器(1台)、万用表(2个)、16．4Ω的阻性负载。

表1 测试结果

该系统的测试结果如表1所示，由表1可看出，当该系统工作在220V交流时，它的工作效率高达87．23%，与传统的线性电源相比就充分体现了该开关电源的优越性。

[1]杨旭，裴元庆，王兆安．开关电源技术[M]．北京:机械工业出版社，2004．

[2]KUEBRIEH D，SELUNELUNID M，DUETHAUM T．A-nalysis of a DSP system in order to flexibly control a switch mode Power supply[J]．European Conference on Power E-lectronics and Applieations．2007:745-752．

[3]ZhangJie，ZouYunPin，ZhangYuri，TangJian．DSP implementation of digitally controlled SMPS[J]．Proceedings of the 33rdAnnual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，2007:1484-1488．

[4]杨永华，邱福来．新型数控开关稳压电源设计[J]．计算机科学与技术，2009，08(4):59-62．

[5]罗刚，高荣，江书勇．开关电源的数字控制技术研究[J]．实验科学与技术，2009，04:12-15．