一种简单可靠的正激开关电源设计

彭 洋

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000）

0 引 言

直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）转换器能够将某一输入的直流电转换成需要的直流电，为各种电子设备提供电能。由于电子设备对供电的要求日益提高，除了要求DC/DC 转换器输出的电压要稳定，还要求输出功率大、体积小、效率高。为提高转换效率，用金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）（以下简称MOS）代替二极管，称为同步整流。目前，有2 种主要的整流管驱动方式，即外部驱动和自驱动。无论外部驱动还是自驱动，同步整流的MOS 管开关时序调整都比较复杂[1-4]。文章采用ADP1074 芯片，能够简化同步整流的设计，使复杂的时序调整环节和环路调试更加简便。

1 同步整流+有源钳位的正激式转换器工作原理

有源钳位技术可以用于解决变压器磁复位问题，无须添加其他复位绕组，并且使得工作时的占空比可以大于0.5，适用于输入电压范围较大的情况。同时，能够将励磁电感和漏感中的能量反馈回输入端，从而降低开关管的开关损耗，提高转换效率。钳位电容可以将主开关MOS 管的电压钳位控制在一定范围，保护MOS 管不被击穿。同步整流+有源钳位示意如图1 所示。MOS 管又分为P 型金属氧化物半导体（P Metal Oxide Semiconductor，PMOS）管和N 型金属氧化物半导体（N Metal Oxide Semiconductor，NMOS）管，其中NMOS 管和PMOS 管的驱动信号有合适的死区时间，以防止二者同时导通[5,6]。

图1 同步整流+有源钳位示意

用MOS 管SR1和SR2替代二极管进行整流。一是MOS 管采用自驱动控制，当输出电压较低时，电路简单可靠，但是当输出电压较高时，需要增加电路限制驱动信号幅度，避免击穿MOS 管。二是MOS 管采用外部驱动，需要增加控制芯片，芯片输入的时序信号来源又可以分为2 种：一种来自初级侧的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号，如LTC3900 芯片，使用变压器绕组将初级信号耦合到次级，再由芯片输出同步整流驱动信号；另一种来自次级侧变压器绕组，如STSR2 芯片，采集变压器绕组同名端信号作为输入。三是同步整流的MOS 管在次级增加一个绕组，通过绕组取得的信号驱动同步整流管。采取这3 种驱动方式，不仅会增加元器件的数量，而且会降低系统的可靠性，使得调试更加困难。

2 电路设计

2.1 PWM 芯片ADP1074

ADP1074 是一款具有电流模式、固定频率、集成有源钳位以及同步整流功能的正激式控制器，专为隔离式DC-DC 电源设计。亚德诺半导体技术（上海）有限公司将其独有的磁隔离器集成于ADP1074，以省去在初级侧与次级侧之间传输信号的变压器和光电耦合器。集成后的隔离器能够降低系统设计的复杂性，减少器件数量，并增强转换器的可靠性。ADP1074的初级侧和次级侧均集成了隔离器与MOS 驱动器，可以使电源系统设计更加紧凑，并在重负载工作时具有更高的效率。

ADP1074 控制器将5 kV 隔离器、初级控制电路以及次级控制电路集成于一个封装。

集成的隔离器通过在隔离的2 端传输反馈信号，从而实现初级侧和次级侧的通信。这些信号包括同步整流器PWM 的反馈信号、电压采样信号以及时序信号等。

ADP1074 拥有多种强大的功能，包括输入电流保护、欠压保护（Under Voltage Lock Out，UVLO）、带可调迟滞的精密使能、过温保护（Over Temperature Protection，OTP）、 轻载模式（Light Load Mode，LLM）和跟踪等功能。其引脚功能如表1 所示。

表1 ADP1074 引脚定义

2.2 次级侧VDD2 供电电路

次级侧供电电压范围为-0.3 ～42 V，当输出电压较大时，直接从变压器绕组取电，电压幅度容易超过额定值，导致芯片烧毁。可选择12 V 的稳压二极管匹配较大耗散功率的三极管，对VDD2进行供电。

2.3 占空比的选择

设计开关电源时，应选择合适的占空比，当分别输入最小电压值和最大电压值时，开关管电压应力一致[6]。

输出电压Uo与输入电压Uin的关系为

式中：ton为每个周期导通时间；T为开关周期；D为占空比；N为变压器匝比。

当输入最小电压和最大电压时，输出电压应保持不变，关系式为

式中：Uinmax为最大输入电压；Uinmin为最小输入电压；Dmin为最小占空比；Dmax为最大占空比：

欲使开关管电压应力相等，必须满足如下条件

将Uinmin取17 V，Uinmax取36 V，并代入式（2）和式（3），可得Dmin=0.32，Dmax=0.68。

2.4 变压器设计

文章设计的DC/DC 转换器，单路功率为300 W，输入电压范围在17 ～36 V，输出电流为12 V/22 A，开关频率为300 kHz。此外，匝比计算公式为

式中：Uf为同步整流管导通压降。

当Uinmin取值17 V 时，由式（4）得到初次级的匝比N为0.96，取整数1。

考虑传输功率为300 W，可采用ED 型磁芯，磁芯面积乘积（Area Product，AP）值可使用AP 法计算，计算公式为

式中：Aw为磁芯的窗口面积；Ae为磁芯的截面积；Po为变压器的输出功率；η为转换器所期望的效率；J为电流密度；K为窗口面积利用系数；f为变压器的工作频率；ΔB为磁通密度变化量。为增加一定的裕度，文章选择ED32.5 型号的磁芯。

初级绕组匝数NP的计算公式为

NP取值为4 匝。

变压器初次级匝比公式为

将N=1，NP=4 代入式（7），得出次级匝数Ns为4 匝。

2.5 主开关管的选择

MOS 管的选择原则是MOS 管承受的最大电压和最大电流不超过额定电压与额定电流值。同时，需要考虑MOS 管的导通速度和导通电阻，导通速度要尽可能快，导通电阻要尽可能小。

转换器正常工作时，流过主开关管NMOS 的最大电流为

取Po=300 W，η=0.9，Uinmin=17 V，可得Imax约为19.6 A。

根据计算所得参数，可选用BSC093N15NS5 型号的主开关管，其最大漏极电流IDmax为87 A，最大漏源电压UDS为150 V，最大导通电阻RDS(on),max为9.3 mΩ。

2.6 钳位开关管的选择

钳位开关管选则P 型MOS 管，其所能承受的最大电压计算公式为

式中：UPMOS为钳位PMOS 管电压，计算得到UPMOS=54 V。

流过钳位开关管的电流通常很小，因此在选择开关管时，导通电阻并不是最重要的因素。相反，栅极电荷的大小才是最需要考虑的因素。钳位开关管选用IRF6217 型号的P 沟道MOS 管，其栅极电荷为9 nC，最大漏源电压UDS为-150 V，最大导通电阻RDS(on),max为2.4 Ω，最大漏极电流IDmax为-0.7 A。

3 电路实物和测试结果

文章设计的基于ADP1074 控制器的正激式开关电源转换器的外围电路十分简单，只要满足初次级供电的要求，就可以顺利输出主开关管、钳位开关管、整流管以及续流管的驱动波形。根据选用的开关管参数，通过调整死区时间得到稳定的输出电压。设计的转换器效率曲线如图2 所示。

图2 转换器效率曲线

由图2 数据可知，基于ADP1074 控制器的正激式开关电源转换器效率随着电流的增加而升高并趋于稳定，最后效率在90%左右，实际效率较高。

4 结 语

基于PWM 控制器ADP1074，设计了一种新的转换器，能够在18 ～36 V 的输入电压下，产生12 V/260 W 的输出，并且具有300 kHz 的开关频率。该转换器的实际效率高达90%，使得电路变得更加简单和小巧，具有较为广泛的应用前景。