一种隔离型反激式开关电源的设计

南京邮电大学电子与光学工程学院微电子学院 薛 鹏

隔离型设计可以使输入市电高压与输出低压应用分开，这样设计的优点是确保输出端使用的安全。因为反激式开关电源的变压器具有电感和变压器的双重作用，所以输出端不需要使用电感。较其他拓扑而言，反激变换器的好处就是可以进一步减小电源体积、节约设计成本等。本设计基于原边反馈的技术、混合工作模式设计出一款12W（12V/1A）的反激式开关电源，有着较高的转换效率。分别验证系统在交流115V和交流230V两种用电标准下的转换效率，结果表明本设计的效率满足六级能效的要求。

在信息高速发展时代，各行各业都在飞速地发展同时对电源技术提出更高更多的要求。比方说提升效率、节约能源、减轻重量、减小体积、防止污染、环境改善、使用安全性等。与线性电源相比，开关电源有着高功率密度、高效率、小体积、轻重量等诸多优势，因此它在工程实践中的应用更加广泛。尤其20世纪90年代微型计算机的普及与通信技术的突飞猛进，极大的推动开关电源技术的进步和开关电源产业的蓬勃发展。根据不同的拓扑结构来分类，开关电源分为隔离和非隔离两种形式。隔离的拓扑结构包括正激式、反激式、半桥式、全桥式等，非隔离型的拓扑结构有Buck、Cuk、Boost、Sepic、Buck-Boost等。若按照不同的激励形式来分类，开关电源又可以划分为他激式和自激式两种。如果按照控制方式来分类，开关电源还可以分成脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)、脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)、混合调制方式(PWM+PFM)。按照输入和输出电压大小来分类，开关电源可以分成升压式、降压式。

1 设计反激式开关电源的电路

1.1 电路拓扑结构（见图1）

图1 反激式开关电源的电路拓扑

1.2 工作原理

图2(b) SSR反馈原理

由图1所示可知，反激变换器大致由输入整流滤波电路、功率变换电路、输出整流滤波电路、输出采样电路和控制器五个子模块组成。输入整流滤波电路由D1、D2、D3、D4和Ci组成，当输入端流过交流信号Vin时，先被桥式整流器（四个二极管D1、D2、D3、D4组成）全波整流成直流信号Vd，再通过输入电容Ci滤波后变为有一定脉动成分的直流电压Vc。功率变换电路由MOS管M1和变压器T1组成，当M1导通时，输入电压Vc给初级电感Lp充电，流过Lp的电流线性升高直到峰值Ip，该过程称之为储能或者励磁阶段。而此时次级侧电感Ls同名端为正，故次级整流二极管D5反向截止。当M1断开时，初级电感Lp中的电流不断减小，该过程称之为释能或者消磁阶段。

2 设计反馈方式和工作模式

2.1 设计反馈方式

图2(a)、图2(b)分别为原边反馈和副边反馈的原理图。

图2 (a) PSR反馈原理

与SSR相比较，PSR的优点表现为：（1）节省光耦和TL431等外置环路补偿器件，使系统更加精简；（2）由于外围使用的器件更少，所以它有着更低的成本。本文采用原边反馈控制。

2.2 设计工作模式

反激变换器工作模式可分为连续导通模式（Continuous Current Mode,CCM）和断续导通模式(Discontinuous Current Mode,DCM)。如图3(a)、图3(b)所示。

图3 (a) CCM工作波形

图3(b) DCM工作波形

（1）CCM工作模式分析

PWM信号代表MOS管的驱动信号、Ip代表初级电感中的电流、Is代表次级电感中的电流、T表示MOS管的开关周期、Ton表示MOS管的导通时间、Toff表示MOS管的关断时间。当MOS管关断时，初级线圈中存储的能量往次级线圈传输。在这放电过程中，初级线圈中的能量并未完全释放，故在MOS管关断结束时刻次级线圈中电流不为零。

在Ton刚开始时，初级线圈电感中的电流为Ipv，这对应着次级线圈放电结束时电流Isv；由楞次定律可知初级电感中的电流以斜率等于Vin/Lp升高，在Ton结束时初级电感中的电流达到最大值。

当Toff刚开始时，次级线圈电感中的电流为Isp，然后以斜率等于Vout/Ls降低，在Toff结束时次级电感中的电流达到最小值Isv。CCM没有死区（初级线圈电流为零、次级线圈电流为零）时间，整个Toff期间都是在消磁。

（2）DCM工作模式分析

Tdis表示MOS管的消磁时间、Td表示死区时间。

在Ton期间，次级侧的二极管处于反向截止状态，因此次级电感中的电流Is为零；初级电感电流Ip的初始值为零，励磁过程中Ip以斜率等于Vin/Lp线性上升。(Vin代表输入电压，Lp代表变压器初级绕组的电感量)

（3）混合工作模式

本设计采用多工作模式：负载为重载时芯片工作在PFM_QR模式，此时Ipeak不变，工作频率随着输出电流的减小而减小；当工作频率减小到25KHz附近，芯片选择工作在PWM_QR模式，这时Ipeak随着输出电流的减小而减小，但频率基本保持不变，该模式不但可以有效的避免音频噪声问题而且有利于提升带载效率；当芯片CS管脚侦测到内部RCS上电压达到170mV时，芯片又选择进入空载模式（Standby），此工作阶段的Ipeak保持不变，工作频率随输出电流减小而减小。如图4所示。

图4 本设计选用的工作模式

3 实验验证与测试

表1所示列出样机的输入/输出要求。

表1 输入/输出参数

3.1 设计变压器

根据反激变压器的设计原则和设计步骤，结合表1中参数，计算出该变压器的初级线圈绕组Np=87，次级线圈绕组和辅助绕组的匝数分别为11匝和14匝，所设计出的反激变压器详细信息如表2所示。

表2 设计的变压器参数

3.2 绘制电路图

使用Protel绘图软件，绘制基于PN8370的隔离型反激式电源，图5所示为设计的原理图。

图5 绘制的电路图

制作出的实物如图6(a)和图6(b)所示。

图6 (b) 样机的背面

图6 (a) 样机的正面

3.3 样机效率

在输入条件为115V/60Hz和230V/50Hz两种不同模式下，测试样机的带负载能力。分别计算25%、50%、75%、100%带载条件下样机的效率，具体的数值如表3所示。结果表明在115V/60Hz和230V/50Hz两种用电标准下，设计样品的平均效率均优于六级能效的要求（83.08%）。

表3 不同输入条件/不同负载下的样机效率

本文设计了一款功率为12W（12V/1A）的反激式开关电源，采用反激式的拓扑结构、混合工作模式。在输入分别为交流115V和交流230V两种用电标准下，系统的转换效率均满足六级能效的要求。本设计的隔离型反激式开关电源具有结构简单、体积小、输入电压范围宽、转换效率高等优点。