基于AIP3842 反激式开关电源的设计

崔海涛，周耿，罗一铭，王翠霞，祝龙辉

（中船重工海为郑州高科技有限公司，河南郑州，450000）

0 引言

随着社会的发展，电子产品的应用逐渐广泛，稳定可靠的电源就显得尤为重要。依据工作方式不同大致可将电源分为开关电源和线性电源两大类，开关电源作为一种通过多个无源、有源器件的组合进行连续开关并不断存储、释放能量完成功率变换的电源电路系统，其功耗小、隔离性好、范围宽、效率高等优点。除此之外，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3[1~2]。传统的开关电源除了功率开关管之外还包括50 个左右的分立元件，集成度较低。随着制造技术的提升，将低压电子器件制造成IC 技术趋于成熟，随之开关电源应用范围也逐渐广泛。

1 工作原理

反激式开关电源的系统结构，如图1 所示，首先，通过滤波电路对交流输入信号进行处理，抑制差模和共模干扰并将交流转换为直流信号。然后，由PWM 控制电路控制VDMOS 功率管的通断，进而控制变压器原边侧的通断，以确保变压器副边侧的电压稳定。最后，输出信号经过滤波整流电路剔除因功率管高频通断而产生的干扰信号，进而减小电压纹波，实现AC-DC 的转换。通过这种方式可高效地转化出多路高质量的直流电压。

图1 系统框图

2 高频变压器的设计

高频变压器作为开关电源能量传输、电压变换与电气隔离的核心器件，直接影响开关电源的技术指标，对电源的转换效率有较大的影响，故而高频变压器设计在开关电源设计中具有重大意义。

■2.1 磁芯材料的选择

高频变压器常采用 EE 或 EI 型磁芯，本设计中采用 EI型磁芯，其具有形状简单、漏感小、热特性好等优点。

目前，应用最广泛的磁芯元件是锰锌铁氧体和镍锌铁氧体。锰锌铁氧体磁芯磁导率高，电阻率约在103Ω·cm，常应用在高频工作场合。镍锌铁氧体磁芯磁导率较低电阻率大约在106～1012Ω·cm，应用频率在1MHz 以下。选用锰锌铁氧体磁芯材料。

■2.2 变压器设计

设计指标： 开关电源的交流输入范围是：220VAC±20%，整流后直流电压范围： 240~380V；电压/电流：±24V±5%@1.8A，纹波：<20mV；功率：43W；η=90%。经计算的最大占空比约为 0.367。

（1）磁芯选取

根据 AP 法选取磁芯型号[3]，选取满足要求的最小磁芯为 EI33。

（2）初级绕组的匝数

对于反激式电压变换器，依据磁芯参数计算变压器绕组的匝数，通常在输入电压最小的情况下占空比最大。初级绕组匝数为：

其中，B为磁通密度，S为横截面积，P为输出功率。

（3）次级绕组的匝数

其中，D为占空比；UF为整流管的正向压降，取0.7V；UOR为次级的最大反射电压，在裕量为120V 的条件下，UOR=100。

3 反激式开关电源电路设计

通过 EMI 电路滤除来自电网噪声，整流电路将交流电转化为直流电。变压器通过耦合为负载提供满足需求的电能，在电能转换的这一过程中，为了确保输出电能的质量，引入了反馈调节机制，AiP3842 依据反馈信号调节PWM 占空比，进而控制MOS 管的通断，达到稳定电压的效果。电源结构图如图2 所示。

图2 开关电源结构图

■3.1 AiP3842 外围电路设计

通过搭建AiP3842 外围电路，通过不断控制MOS 管的通断，进而控制变压器的耦合时间，确保提供稳定的电压输出。图3 中，DC 为直流电压，T1、T2 连接变压器，dcsamp 接电压反馈信号。

（1）芯片供电电路

电路中AiP3842 的供电分为启动和工作两个阶段，启动阶段：由 R7、C4 组成启动电路，上电后，直流电通过热敏电阻R9 进行限流，经过R7 后给C4 充电至16V，工作电流为1mA，D1 防止浪涌电压损坏元器件。在进入正常工作阶段后，变压器输出18V 为AiP3842 供电。为确保正常启动，C4 的容值必须够大才行，选择为 100uF/50V，根据公式（4）R1=308kΩ，其中，UI 为整流后的直流电压。

AiP3842 通过输入时钟信号，确保PWM 信号的可靠性。AiP3842 内部有一个锯齿波振荡器，本设计通过C2、C3、R3 来设定 AiP3842 的工作频率。

（2）电流反馈与电压反馈

通过电阻将电流变化转化为电压变化，将该路信号引入AiP3842，AiP3842 内部误差放大器依据反馈信号做出相应处理，进而调节PWM 输出起到调节电源的作用。在输出端接入RC 电路以减小因变压器线间电容产生的电流尖峰，根据电流尖峰的持续时间设定RC 电路的时间常数，经测量该尖峰时长通常为几百纳秒。本设计中取常用值 R8=1kΩ，C5=500pF，则时间常数。

当AiP3842 的3 引脚的电压超过设定的阈值时，通过调节PWM 占空比，进而降低ISENSE 引脚的电压，进而起到限流的作用。

通过HPC817 及7W431 搭建电压反馈电路，搭配AiP3842 达到很好的效果，输出电源调整率在±0.2%。电压反馈电路如图4 所示。

图4 电压反馈电路图

■3.2 功率管驱动电路

通过改变栅极电压来控制MOS 管的通断，为了确保PWM 信号的稳定性，避免因引脚悬空出现电平不确定的情况，受到干扰电压的影响会出现误导通的问题，栅极连接下拉电阻R5。MOS 管的漏极与变压器相连，由于变压器存在漏感现象，在MOS 在关断时，会有一部分的能量无法从原边传输至副边，因此变压器部分储能电感在系统关断截止状态期间会储藏一定的电荷量，进而产生尖峰电压[4]。如果不进行处理直接施加在MOS 管漏极上，容易击穿MOS 管，C7、D3 和R14 组成缓冲吸收电路，D7 进行电压钳位，利用TVS 管抑制瞬间高压，防止击穿MOS 管。如图5 所示。

图5 开关管驱动电路

目前的制造工艺造成MOS 管存在结电容，分别是CDG和CGS，进而造成即使MOS 管关断，电流也不会立即消失，当这一电流足够大时，将会导通MOS 管，D6、R4 和R15起到限流的作用[5]。在MOS 管开通和关断的过程中，会产生较大的尖峰电压、电流，增大驱动电阻会减小du/dt和di/dt降低MOS 管开关速率，但会增加功耗；驱动电阻的减小会使增大du/dt和di/dt，产生的电压电流尖峰可引起误动作，应当根据应用环境，对电阻进行折中的选择。

4 实验结果

在电路的设计过程中，通过Multisim 进行电路仿真，在仿真结果正常的情况下进行实物搭建，实现输入AC120V（50Hz），输出DC24V，通过LDO 进行降压以满足负载电压需求。电源效率达到85%，开关频率达到75kHz。经验证该开关电源输出稳定，性能可靠。图6 为AiP3842 输出的PWM 波形。图7 为24V 输出电压。分别接入16W、32W 和64W 负载，同时测量MOS 管的VDS电压，如图8 ～10所示，在不同负载的情况下，MOS 管开关过程中产生的电压波动稳定，VDS峰峰值电压并没有因电流的增大而产生较大的变化。

图6 PWM 波形

图7 24V 电压

图8 64W

图9 32W

图10 16W

5 结语

本文设计了一款开关电源，采用反激式拓扑结构，以国产元器件为基础，在完成反激式开关电源功能验证的同时，对国产器件进行性能验证。由试验结果可知，该反激式开关电源输出稳定，性能可靠。