小功率开关电源设计及关键技术研究

胡园一 赵坤渝

（重庆市送变电工程有限公司，中国 重庆 401120）

0 引言

现代电子设备正朝着小型化，低成本化方向发展，这要求其电源系统也要朝着轻、薄、小和高效率方向发展。传统的线性电源无法克服其工频变压器体积庞大，效率低下等缺点，越来越难以满足现代电子设备特别是小型化设备的要求。而开关电源采用功率管为核心器件，具有功耗低，体积小等优点。因此，研究开关电源的设计及其关键技术，具有很好的科研价值及经济意义[1]。

1 开关电源工作原理

开关电源的结构原理框图如图1 所示。交流输入电压通过EMI滤波及整流环节后得到脉动的直流电压Vi。直流电压Vi经过功率变换，逆变为受到控制的、符合电路要求的方波脉冲电压。高频方波脉冲电压经过整流滤波后得到稳定的直流电压输出。途中的控制电路部分对开关信号放大、整形，利用调整高频开关元件的开关时间比例，使输出电压保持稳定。时钟振荡电路，它产生的高频波段信号与控制信号进行叠加，从而调节脉冲宽度。

图1 开关电源构成原理框图

1.1 拓扑结构选择

在常用的开关电源拓扑结构中，反激式变换器相比于正激式拓扑结构和推挽式拓扑结构，具有适用于低于150W 小功率开关电源的优点[2]。

这种拓扑结构工作时，变压器原边驱动导通的时候，其副边不会向负载供电，原副边交错导通，因此叫反激式。单端反激式拓扑结构简单，只需增加二次绕组和相关电路就可获得多路输出，而且重量轻体积小，传输功率为20～100W，因此常常用于小型的仪表仪器、家用电器电源等中小功率变换场合。其输出电压为：

1.2 电磁干扰滤波器设计

现代电子设备正逐渐变得越来越复杂，由此产生的各种电磁干扰问题往往会造成电子设备无法正常工作，成为设计中不得不考虑的重要因素。在开关电源设计中，电源噪声是电磁干扰的主要干扰，属于射频干扰[3]。

针对开关电源中存在的干扰类型，综合考虑开关电源的体积要求和成本要求，采用单级的EMI 滤波器。该基本电路有两个输入、输出端，一个接地端，电路中包括滤波电容C1～C4、共模扼流圈L。根据电磁兼容国际标准的规定，能滤除电源线间差模干扰的电容，叫做X 电容。能滤除一、二次绕组耦合所形成的共模干扰，叫做Y 电容。C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大约为0.02～0.48μF，其主要的作用是滤除串模干扰。C3和C4跨接于滤波器的输出端，同时把电容的中间点接在大地，使其能有效的抑制共模干扰，C2和C3的容量范围大约是2200pF～0.1μF 为了减小漏电流，电容器应不超过0.1μF。

1.3 高频变压器设计

高频变压器在开关电源中起传输能量、存储能量的作用，是开关电源制作技术中非常关键的部分[4]。EE型磁芯磁损低，适应性强、价格低，且根据输出功率范围，本文选择铁氧体磁芯EE22型，输出功率为10～20W，磁芯长度A=22mm，有效磁路长度L=3.96cm，磁通密度B=120mT，磁芯有效电感AL=2.4μH/匝2，磁芯有效横截面积SJ=0.41cm2，50kHz。

高频变压器一次绕组的电感量的公式为：

其中：

Umin为直流最小输入电压，一般取220V。

Dmax为脉冲信号最大占空比。计算公式为：

因此，将η=80%，f=50kHz 带入式（2），得到：

设满载时的峰值电流IP，有

设短路保护过程中的过载电流为IS，

一次绕组上存储的电能为：

初级绕组匝数可以通过下式计算：

将W=1.51（mJ），B=250mT，SJ=0.41cm2带入公式中，得到N1≈25.7，实际取30 匝。

多输出高频变压器中，其各输出绕组的匝数可以选取相等的每伏匝数。每伏匝数的公式为：

UF——输出整流二极管的正向压降；

Uo——绕组N2（或N3）两端的电压。

N 的单位是匝/V，将NS取5 匝，二次绕组回路中选用肖特基二极管D80-004，若此处取Uo=5V，UF=0.4V。代入公式式1.7 得N=0.925匝／V 。

对15V 输出，已知Uo=15V，UF=0.4V，代入公式（7）得NS2=0.925×（15V+0.4V）=14.245l／V，实际取15 匝。

对于5V 输出，已知Uo=5V，UF=0.4V，带入公式（1.7）得NS2=0.925l／V×（5V+0.4V）=4.995l／V，实际取5 匝。

2 基于TOP234Y 整体电路设计

TOPSwitch-FX 系列是美国PI 公司推出的第三代开关电源集成电路。它的输出功率一般为75W 左右，符合本设计的小功率要求。而且芯片还具有电流限流电路，过热保护，增压保护欠压检测电路[5]。整个电路原理如图2 所示。

交流电源经全桥整流滤波后变成直流，R1 与R2 组成的电压检测电路用于欠压和过压保护。T1 为反激式高频变压器；D3 用于高频整流；L3，C10，C11 为输出整流滤波器；反馈回路由稳压器TL431 和光电耦合器PC817A 组成，通过反馈作用使输出电压动态稳定；C5，R3，FR106 构成漏极钳位电路，用于保护控制器内部的集成MOSFET[6]。

图2 单端反激式多输出开关电源原理图

上电时，TOP234Y 开始工作，当达到启动电压阈值时，内部MOSFET 开始斩波；通过高频变压器的快速电能变换，迅速将能量传递到二次侧，建立输出电压；当输出电压达到设计值时，反馈回路发生作用，通过调节开关周期来维持输出电压的恒定。

3 仿真分析

本文利用Saber 软件对电路原理图进行仿真。

3.1 变压器一次侧波形分析

本仿真建模的变压器模型，其一次侧的电感量可由下式决定：

由第二节式1.3 得到变压器一次绕组的电感量L1=2.28（mH），由式7 得初级绕组的匝数N1=25.7 匝，二次侧电感量理论值如下：

二次侧5V 输出电感量理想值为

二次侧15V 输出电感量理想值为

图3 变压器一次侧电压电流波形（不放大）

考虑计算误差与实际情况，电路仿真建模时选用的输出电感值分别为90μH 和780μH。仿真后得到变压器的一次侧电压电流波形如图3：

将该波形图放大后得到图4，通过波形可以看出，变压器一次侧电压电流波形基本满足条件。

图4 变压器一次侧电压电流波形（放大）

3.2 总输出电压波形模型

对整体电路原理图进行仿真，得到总输出电流电压波形如图5 所示。

图5 最终两路输出电压波形

第一部分变压器设计中，设置两路输出分别为5V 和15V。仿真输出模型中可见两路输出值分别为5.2569V 和15.072V，并且输出稳定。考虑到实际误差，最终输出基本贴近理论值。

4 总结

本文在给出开关电源一般工作原理的同时，对小功率开关电源设计的关键部分进行了研究，包括电路拓扑结构、EMI 滤波器、高频变压器参数计算与设计。然后选择基于TOP234Y 芯片进行了小功率多路输出的开关电源整体电路设计，并给出了仿真结果，结果参数表明所进行的电路设计结构合理，达到了期望指标。