多路输出单端反激电源的设计

陈 城，黄 辉，王金宝，闫永昶，董圆圆

（北京交通大学 电气工程学院，北京100044）

0 引 言

开关电源是电力电子设备中不可缺少的部分。随着功率开关管技术的发展，开关电源的设计趋向于小型化、高频化。相比较传统的线性串联稳压电源，单端反激式开关电源具有输出纹波小、效率高等突出特点，尤其适用于中小功率的开关电源。为了达到良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应，适应工程应用中低成本高性能的设计要求，本文设计了一种基于UC2844的单端反激式开关电源［1］。

1 单端反激式开关电源的基本原理

单端反激式变换器的电路主要由输入整流滤波电路、功率变换电路、输出整流滤波电路等部分组成。单端反激电路的基本工作原理如图1所示，功率开关管Q1高电平时导通，低电平时关断。将经过整流的直流输入电压接在变压器原边Lp上，当PWM信号驱动Q1开通时，输入电压通过高频变压器在副边感应出上负下正的感应电压，整流管D1反向截止，此时通过电感储存电能，没有能量传递给负载。当开关管Q1截止时，原副边绕组上的电压极性反转，整流管D1正向偏置导通，变压器中储存的磁能又转化为电能向副边释放。其中高频变压器在Q1开通时起电感储能作用，也起到了变压隔离的作用。对于单端反激式变换器应用中比较突出的磁芯磁复位问题通常用加气隙来解决，既能将输出波纹有效降低还能将开关频率进一步提高［2］。

图1 单端反激式变换器简图

图2 为开关电源的基本原理示意图。系统主要由单端反激式变换电路和PWM控制电路两部分组成，设计的目的是将输入的交流电经过整流滤波后的直流电压转换成±15 V和5 V三路输出，实现对负载供电。控制思路是：在电压反馈的大闭环中，加入电流反馈部分参与动态调节，形成双环控制［3］。具体实现步骤是：采集电压电流信号，通过PWM控制器控制开关管的通断，进而调节变换器中的峰值电流，从而改变输出电压直至符合设计要求。系统采用了电压电流双闭环控制，当电路正常工作时，反馈绕组对UC2844进行供电，同时反馈电压经过分压电阻送入UC2844，与基准电压比较后再经误差放大器放大，输出信号再与电流反馈环的反馈信号比较，进而调节占空比，保持输出电压的稳定。采用这种控制方式可以解决电源在实际应用中面临的负载电流变化率较高的情况，提高了系统的动态响应速度。

图2 系统结构示意图

2 多路输出单端反激式开关电源的设计

多路输出单端反激式开关电源设计的性能要求如下：

输入电压：AC90～240 V，50 Hz。

输出：DC＋5 V，额定电流3 A，最小电流0.75 A；

DC＋15 V，额定电流1 A，最小电流100 mA；

DC－15 V，额定电流1 A，最小电流100 mA；

DC＋5 V，偏置电流0.1 A。

效率：η＝80%。

工作频率：f＝50 k Hz。

工作磁通密度：Bmax＝2 000 G。

基于电源低成本高稳定性的目的，结合实际应用环境，最终选取了Unitrode公司生产的电流型PWM控制器UC2844。UC2844可直接驱动 MOSFET，性能可靠、安装简单。在使用UC2844的基础上通过表1所示的优劣对比选择了峰值电流控制方式［4，6］。

表1 常见控制方法的对比

根据上述性能要求，单端反激式开关电源原理图如图3所示。

2.1 高频变压器设计

单端反激式开关电源中变压器不同于其他双极性变压器，能量不仅要传递还要在电感中储存。这就要求采用特殊的方法设计高频变压器，同时考虑到其特殊的应用环境。

（1）估算输入功率、输入电压、输入电流和峰值电流

a.输出功率：Po＝5 V×3 A＋2×15 V×1 A＝45 W。留有一定的余量所以取Po＝60 W

b.输入功率：Pin＝Po／η＝60 W／0.8＝75 W

c.输入电压：Uin（min）＝90 V×1.414＝127 V

Uin（max）＝ 240 V×1.414＝340 V

d.最大、最小平均输入电流：

计算可得最大平均电流为0.59 A，最小输入电流为0.133 A。

e.峰值电流：

计算可得峰值电流为2.60 A。

（2）确定磁芯型号尺寸

根据EI磁芯性质65 W可选用每边约35 mm的EE35／35／10材料为PC30磁芯。

磁芯Ae＝100 mm2，Acw＝188 mm2，W＝40.6 g

（3）计算一次电感最小值Lpri

此处选最大占空比Dmax＝0.5，计算可得Lpri＝488μH。

（4）计算磁芯气隙Lgap值

式中：Ae为磁芯的有效面积，代入数值计算得到lg＝0.4 mm。查表可得，EE35／35／10的 AL＝120μH／N2，Lgap约为0.5 mm。

（5）计算一、二次绕组匝数

其中Npri为一次绕组最大匝数，Ns1为DC＋5 V绕组。其中副边绕组匝数按输入最小电压，导通的占空比最大进行计算。

由公式（6）计算得63.7 T，取 Npri＝64匝。由公式（7）计算得2.87 T，取Ns1＝3匝。

此处整流二极管压降UD＝0.7 V

（6）计算其它次级绕组匝数

经计算得：

（7）计算和选取绕组导线线径

线径公式：

这里J＝3 A／mm2

计算趋肤深度：

S＝66.1／SQRT（f）＝66.1／SQRT（50×103）＝0.296 mm，穿透深度为2S＝0.592 mm 。

由于高频电流流过导体时，电流的趋肤效应变得比较突出，也就是说电流从导体的外表面往内按深度的深度内可以通过电流，再深的地方就没有电流流过，这样就造成浪费。所以选择导线的线径应该小于0.592 mm［7］。

2.2 器件选择

开关管选用意法半导体高电压功率MOSFET STP3N150。稳压二极管选用18 V／1 W的1N4746A。整流二极管选用UF2004。

2.3 电路仿真

利用Saber软件对电路进行仿真分析。Saber是美国Analogy公司开发的系统仿真软件，是迄今为止唯一的多技术多领域的系统仿真产品。一般基于Saber的仿真分析主要有基于原理图和基于网表两种分析方法。前者比较直观，但是需要在仿真分析设置和结果观察两个工具之间进行切换，分析步骤比较复杂［8］。

通过对电路的实际仿真，得到图4和图5电路正常工作时的输出电压波形。由图可以看出，本文所设计的15 V电源满足电压调整率和负载调整率的要求。

图4 电路正常工作时15 V端的仿真波形

图5 电路正常工作时5 V端的仿真波形

3 实验结果及分析

图6所示是单端反激式开关电源的实物图。应用上述原理设计的开关电源具有＋15 V，－15 V，＋5 V三路输出。图7到图9是电源正常工作时各路的输出波形。当输入电压发生波动时，UC2844通过反馈信号来调节输出脉冲占空比，尽量维持三路输出的波形不变［9］。

图6 单端反激式开关电源实物图

图9 电路正常工作时5 V端口的输出电压

实验结果表明电源在额定功率下能够正常稳定的工作。由于主电路中电容充放电时形成的电压波动影响，会使MOS管在开关过程中形成输出电压的脉动，产生有害的纹波。本文所设计的多路输出单端反激式开关电源能够较好地解决这个问题，完全满足设计要求。［10］

4 结束语

图7 电路正常工作时＋15 V端口的输出波形

图8 电路正常工作时－15 V端口的输出波形

经过实验证明本文所设计的基于UC2844的多路输出单端反激式开关电源符合基本设计要求，输出纹波小、动态响应性能良好，具有良好的应用前景。

［1］ 李 竫，沈伟吉，高炜玲.多路输出型单端反激式开关电源设计［J］.上海工程技术大学学报，2011，25（02）：158－162.

［2］ 季海涛，陈松立，王 琳.基于UC3842的单端反激式电源设计［J］.电源技术，2007，10：65－70.

［3］ 夏泽中，王 彬，李 军.基于UC3842的单端反激式开关电源的设计与分析［J］.电源技术应用，2008，11（6）：6－10.

［4］ 杨立杰.多路输出单端反激式开关电源设计［J］.现代电子技术，2007，30（06）：23－26.

［5］ 王明炎.单端反激式开关电源高频变压器设计［J］.中国科技信息，2010，4：124－128.

［6］ 王兆安，杨 君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［7］ 林晓伟.单端反激开关电源原理与设计［J］.电子工程师，2007，33（05）：34－36.

［8］ 陈航新.基于Saber的反激式开关电源仿真［J］.电子科学，2010，8：20－21.

［9］ 张慧涛，黄先进，叶 斌.基于电流控制型芯片的多路输出反激式开关电源设计［J］.通信电源技术，2007，24（01）：27－29.

［10］刘胜利.现代高频开关电源实用技术［M］.北京：电子工业出版社，2001.