（电路与系统专业论文）小功率开关电源关键技术及应用研究.pdf

摘要 小功率开关电源关键技术 及应用研究 专业：电路与系统 硕士生：刘燕林 指导教师：黄以华副教授 摘要 电源是各种电子设备小可或缺的组成部分，其性能的优劣直接影响着电子设 备的技术指标以及工作的可靠性。开关电源具有重量轻、体积小、功耗小、工作 电压范围宽等优点，在现代电子系统中应用越来越广泛。 开关电源由于理论复杂，设计过程中需要考虑的关键细节较多，涉及的知识 面广，往往需要较多的实践经验来解决设计过程遇到的问题，导致其设计成为一 大难题。开关电源的一些关键环节的设计好坏直接决定着这个开关电源能否稳定 可靠地工作，这些关键技术包括：高频变压器的设计、反馈回路的稳定性、多路 输出的交叉负载调整率、电磁兼容等。 针对上述问题，本文对小功率开关电源中一些关键技术进行分析探讨，结合 实际应用，设计了一个基于t i n y s w i t c h i i 系列芯片t n y 2 6 6 的小功率双路隔离 输出开关电源，该电源采用了主回路采用反馈控制，辅助回路采用线性稳压器件 进行二次稳压的方法，提高稳压精度；针对电磁兼容问题，对电磁干扰非常低的 新型器件压电变压器进行研究，并设计出一个效率较高、在设定输出功率下输出 稳定电压的开关电源；最后把设计的双路隔离输出的开关电源应用于l e d 照明 产品中，并针对目前l e d 照明产品功率因数较低的问题，提出采用有源功率因 数校正技术，并利用功率因数校正芯片s a 7 5 2 7 ，设计了有源功率因数校正电路。 双路隔离输出小功率开关电源的测试结果表明，该电源具有良好的电压调整 率和负载调整率；在l e d 照明产品中的稳定工作表明，该开关电源可靠性好， 具有良好的抗干扰能力。 关键词：开关电源；高频变压器；压电变压器；交叉调整率；功率因数校正 a b s t r a ( 了 k e yt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o nr e s e a r c ho f s m a l lp o w e rs w i t c hm o d ep o w e r s u p p l y m a j o r ： c i r c u i ta n ds y s t e m n a m e ：y a n 1 i nl i u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry i h u ah u a n g a bs t r a c t p o w e rs u p p l yi sa l li m p o r t a n tp a r to fv a r i o u se l e c t r o n i cd e v i c e s t h ep e r f o r m a n c e o ft h ep o w e rs u p p l yd i r e c t l yi n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c ei n d e xa n dt h er e l i a b i l i t yo f t h ee l e c t r o n i cd e v i c e s t h es w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) h a st h ea d v a n t a g e so f l i g h tw e i g h t ，s m a l lv o l u m e ，l o wp o w e rw a s t ea n dw i d ew o r k i n gv o l t a g e ，a n db e c o m e m o r ea n dm o r ep o p u l a ri nm o d e me l e c t r o n i cs y s t e m t h et h e o r yo fs m p si sc o m p l e x ，a n dt h ed e s i g np r o c e s s e so fs m p ss h o u l d c o n s i d e rv a r i o u sp a r a m e t e r s ，a n di n v o l v ee x t e n s i v ek n o w l e d g e ，r e s u l t i n gi ng r e a t d i f f i c u l t yi nt h ed e s i g no fs m p s t h ed e s i g np e r f o r m a n c eo ft h ek e yc i r c u i t so ft h e s m p sa l w a y sd e t e r m i n e sw h e t h e rt h ep o w e rs u p p l yc a nw o r ks t a b l ya n dr e l i a b l y t h e k e yt e c h n o l o g i e st h a ti n f l u e n c ew h e t h e rt h es m p sc a nw o r kr e l i a b l yi n c l u d e ：t h e h i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e rd e s i g n ，t h es t a b i l i t yo ft h ef e e d b a c kl o o p ，t h ec r o s s r e g u l a t i o no f t h em u l t i p l eo u t p u t s ，e l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，e r e t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e so ft h es m a l lp o w e rs m p sa n d s u m m a r i z e st h ed e s i g nt h e o r y a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，ak i n do f d u a li s o l a t e do u t p u tl o wp o w e rs m p sb a s e do nt n y 2 6 6i sd e s i g n e d ，a n dt h el i n e a r r e g u l a t o ri su s e di nt h ea u x i l i a r yc i r c u i tt oh e l pt oi m p r o v et h ev o l t a g er e g u l a t i o n t o s o l v et h ee m ip r o b l e m ，t h ep a p e rh a sd oar e s e a r c ht ot h e v e r yl o we m i t r a n s f o r m e r - - p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ( p t ) ，a n dd e s i g nas m p sb a s e do np t t h e s m p sh a sag o o de f f i c i e n c yu n d e rs e t t i n go u t p u tv o l t a g ea n dp o w e r a tl a s t ，t h ed u a l i s o l a t e do u t p u ts m p si sa p p l i e dt ot h el e dl i g h t i n gs y s t e m i no r d e rt os o l v et h el o w p o w e rf a c t o ro ft h el e dl i g h t i n gs y s t e m ，t h ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( a p f c ) i i l 小功率开关电源关键技术及应用研究 t e c h n o l o g yi sp r o p o s e d ，a n da na p f c c i r c u i tb a s e do ns a 7 5 2 7i sd e s i g n e d t h et e s tr e s u l t so ft h ed u a li s o l a t e do u t p u ts m p ss h o wt h a tt h ep o w e rs u p p l yh a s g o o dv o l t a g er e g u l a t i o na n dl o a dr e g u l a t i o n ；a n dt h es t a b l ew o r k i n gp e r f o r m a n c ei n t h el e dl i g h t i n gs y s t e ms h o w st h a tt h es m p sh a sg o o ds t a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n g a b i l i t y k e yw o r d s ：s m p s ；h i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ；p t ；c r o s sr e g u l a t i o n ；p f c i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：文i 荡许札 日期：如f d 年多月1 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，h p 学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：训莎衫卜 日期：洲d 年乡月f 日 导师签名：氆仍乒 日期：秒，- ，年彳月2 ，日 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着电子技术的快速发展，电子系统的应用领域也越来越广泛，电子设备与 人们的工作和生活的关系日益密切。在这些电子设备中，一个核心的动力系统就 是电源，一个稳定可靠的电源是电子系统得以正常运行的保障，是电子系统的“心 脏”。电子设备的小型化和低成本化，要求电源以轻、薄、小和高效率为发展方 向【l 】。 传统的线性电源虽然具有稳压性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点， 但其所用的工频变压器往往体积庞大，而且调整管工作在线性放大状态，导致电 源功耗大、效率低、发热严重。开关电源采用功率管作为开关器件，工作在开关 状态，故损耗小；由于工作频率在几十到上百千赫兹，故滤波电容、电感的数值 也较小。因此，开关电源具有功耗低、体积小等优点。另外，由于功耗小，机内 温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。此外，开关电源对电网的适应能力也很 强，一般线性稳压电源允许电网波动范围为2 2 0 v ( 1 1 0 ) ，而开关电源则在 电网电压在1 0 0 2 6 0 v 范围内变化时，都可以获得稳定的输出电压i l 】。 由于开关电源具有上述优点，故在现代电子系统中应用越来越广泛。但开关 电源由于理论复杂，设计过程需要较多的实践经验，设计过程遇到的不少关键问 题往往要靠资深电源工程师的丰富经验来解决。一些关键环节的设计好坏往往决 定着一个电源能否稳定可靠地工作，但这些环节的理论却往往不够系统化或者与 实际应用脱节，导致开关电源的设计成为一大难题，成为资深电源工程师的“专 利 。 影响一个开关电源是否能稳定可靠地工作的关键技术包括：高频变压器的设 计、反馈回路的稳定性、电磁干扰和电磁兼容性、多路输出时的交叉负载调整率 等。对于这些关键问题的应用研究，将有利于设计出个稳定的开关电源，从而 为电子设备提供可靠的供电系统；同时电磁干扰和电磁兼容性的研究，将有利于 小功率开关电源关键技术及应j i j 研究 减小电源对其它电子设备的干扰，通过电源相关的国际和国内认证，如北美的 f c c 认证、欧盟的c e 认证、日本的v c c e i 认证、中国的3 c 认证等，只有通过 了相关认证的电子产品，才能进入相应的市场销售。此外，开关电源对电网的谐 波污染也是一个关键问题。针对高次谐波的危害，我国国家技术监督局在1 9 9 3 年颁布了国家标准g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波1 2 l 。通过功率因 数校正的应用研究，对开关电源进行功率因数校正，可以减小电源对电网的污染， 提高电能利用率。在开关电源的关键技术中，新型器件的应用研究也是一大领域。 压电变压器作为一种新型的变压器件，具有体积小、电磁干扰非常低、不会起火 燃烧、安全性高、能量密度大等优点，对其应用电路进行研究，将有利于推进新 型电源的发展。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪5 0 年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了 开关电源；2 0 世纪8 0 年代，计算机全面实现了开关电源化；2 0 世纪9 0 年代， 开关电源在电子、电气设备以及家电领域得到广泛的应用，开关电源技术进入快 速发展期i 。 目前，随着单片开关电源集成电路的应用，开关电源正朝着短、小、轻、漳 的方向发展。近2 0 多年来，集成开关电源沿着两个方向不断发展：一是控制电 路集成化；二是中小功率开关电源实现单片集成化。2 0 世纪8 0 年代初，意法半 导体有限公司率先推出l 4 9 6 0 系列单片开关式稳压器；1 9 9 4 年，美国电源集成 ( p o w e ri n t e g r a t i o n s ) 公司在世界上率先研制出t o p s w i t c h 系列三端隔离式脉宽 调制型单片开关电源芯片，并于1 9 9 8 年、2 0 0 1 年分别开发出高效、小功率、低 价位的t i n y s w i t c h 系列、t i n y s w i t c h - i i 系列微型单片开关电源；美国摩托罗拉公 司于1 9 9 9 年推出m c 3 3 3 7 0 系列五端单片开关电源，安森美半导体公司在1 9 9 8 年- - - 2 0 0 1 年期间，也相继开发出n c p l 0 0 0 、n c p l 0 5 0 系列单片开关电源【3 】。 对于开关电源中一些关键技术的应用研究，目前已经有较多的文献针对某一 个方面的问题在理论上进行了分析总结，但是还没有资料系统地针对一个具体的 小功率开关电源理论联系实际地给出实用的设计方法。 对于高频变压器的设计，通常采用两种方法【4 】：一种是先求出磁芯窗1 2 1 面积 2 第l 章绪论 ( a w ) 与磁芯有效截面积氏的乘积a p ( a p 叫b a p ，称为磁芯面积乘积) ，根据 a p 值，查表找出所需磁芯材料之编号；一种是先求出几何参数，查表找出磁芯 编号，再进行设计。这两种方法都提到了常规高频变压器的设计方法，但这两种 方法都未考虑驱动开关管的p w m 信号的占空比的影响，而且对于多路输出的高 频变压器，却未提到如何设计。 对于反馈回路稳定性的分析，美国的y u r ip a n o v 和m i l a nm 对光耦反馈控 制电路的小信号模型进行了分析，建立了小信号模型的传递函数【5 1 ，但却未给出 与具体设计结合起来的方法；上海新时达电气有限公司的徐勇结合p w m 控制芯 片u c 2 8 4 4 ，设计了开关电源的反馈环路 6 1 ，对采用其它控制芯片进行电源的设 计具有一定的参考意义。 对于开关电源电磁干扰和电磁兼容的研究，国内外有较多的参考资料，如法 国的m i c h e lm a r d i g u i a n ( 米切尔麦迪圭安) 的著作电磁干扰排查及故障解决 的电磁兼容技术，阐述了电磁干扰( e m i ) 的诊断和解决技术，以及多种电磁 兼容( e m c ) 问题的解决方案等【7 l ：国内的钱照明和程肇基编著的电力电子 系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术，系统而全面地分析了现代电磁干扰耦 合途径、电磁干扰抑制技术的基本原理和电磁兼容设计基础，结合国内外对e m c 的最新研究成果，系统、全面地分析了电力电子装置和系统的电磁干扰、谐波和 电磁兼容测量问题【8 】。对于开关电源的电磁兼容性设计，目前仍然是一大关键问 题，2 0 0 8 年上海交通大学的硕士研究生梁玉杰仍然发表硕士论文，研究电源系 统中的电磁兼容性问题【9 】。在实际的应用设计中，电源工程师也往往花费大量的 时间来解决电源中的电磁兼容( e m c ) 认证的问题。 对于多路输出时的交叉负载调整率，美国安森美半导体公司的c m u l l e t t 和 e c a t h e l l 发表了提高反激式多路输出开关电源的交叉负载调整率的文章，提出多 种提高多路输出交叉负载调整率的方洲1 0 1 。国内华南理工大学的文露，也对开 关电源多路输出技术控制方法进行了综述，总结了常用的提高多路输出开关电源 交叉调整率的方法【l l 】。在这些方法中，有的方法只适用于多路输出之间非隔离 ( 即输出共地) 的场合，如加权电压反馈、变压器采用堆叠式绕法、输出端采用 堆叠技术、恒流源实现多路输出、p w m p d 技术等；适用于多路输出之间隔离 ( 即输出不共地) 输出的方法，有增强变压器绕组间的耦合程度、高频磁放大技 3 小功率歼关电源关键技术及应川研究 术和耦合电感调节方式等，其中高频磁放大技术的磁放大器设计复杂，而变压器 耦合和电感耦合方式则存在交叉负载调整率差的问题，不能满足对输出稳压性能 要求严格的场合。 在开关电源的功率因数校正方面，分为无源功率因数校正( p p f c ) 和有源 功率因数校正( a p f c ) 两大类。无源功率因数校正技术出现于上世纪7 0 年代， 而有源功率因数校正则出现于8 0 年代，但被重视和推广则是在8 0 年代末和9 0 年代。目前，功率因数校正技术已经成为一大研究领域，并有较多的参考文献， 如国内周志敏等有著作开关电源功率因数校正电路的设计与应用，对功率因 数校正技术进行了系统的阐述【2 l ；国外有安森美半导体公司的功率因数校正手 册，给出了一些功率因数校正设计的指导f 1 2 1 。a p f c 控制器从分体电路发展到 集成电路，u n i t r o d e ，m o t o r o l a ，s i e m e n s ，o n s e m i 等公司相继推出了各种有源功率 因数校正控制芯片，如u c 3 8 5 2 ，u c 3 8 5 4 ，m c 3 4 2 6 1 ，t d a 4 8 1 4 ，n c p l 6 5 0 等，极 大地简化了有源功率因数校正电路的设计，p f c 技术由理论研究发展到实用阶 段。值得一提的是，国内杭州的士兰微电子也推出一款功率因数控制芯片 s a 7 5 2 7 ，可以方便应用于功率因数校正电路。 在开关电源的新型器件应用方面，压电变压器( p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ， 以下简称p t ) 采用电能机械能电能的能量传递方式实现能量的传递，具有电磁 干扰很小、体积小、不会起火燃烧等优点，成为研究的一大领域。门最早由美 国g e m o t o r o l az e n i t h 的c a r o s e n 等发明并申请专利，是一种工作在音频或超 音频范围内的固体电子变压器【l3 1 。对于p t 在开关电源上的应用研究，由于其可 以减小开关电源的体积和重量，而且具有低电磁干扰的特性等优点，2 0 0 1 年美 国弗吉尼亚大学的r a y l e el i n 博士较早对盯的模型及在电子整流器上的应用 进行了研究【2 2 1 ；2 0 0 3 年日本九州大学的s u n a oh a m a m u r a 等采用p w m 和p f m 相结合的技术，设计了一个宽范围输入的离线式开关电源【1 5 】；2 0 0 4 年西班牙奥 维耶多大学的j u a nd i a z 等给出了一种a c d c 转换器的拓扑结构以及控制方法， 并采用p t 设计了一个a c d c 适配器【1 4 】；国内台湾成功大学在2 0 0 2 年到2 0 0 5 年对p t 应用于开关电源方面有较多的研究f 幡协】；大陆地区对p t 器件模型的研 究较早，本人导师黄以华副教授在2 0 0 1 年就对p t 的特性及应用进行了研究【1 9 1 ， 后来对p t 驱动c c f l ( 冷阴极射线管) 也进行了一定的研究【2 0 1 ，但对p t 在开 4 第1 章绪论 关电源上的应用研究则数西安康鸿信息技术股份有限公司为早，在2 0 0 2 年就提 出了把叠层式p t 应用于开关电源【2 ，但他只是提出p t 应用于降压电源，却未 设计出一个能输出稳定电压的电源；2 0 0 9 年大连理工大学有硕士论文对p t 应用 于降压式电源进行了研裂2 3 1 ，但其设计的电源输出电压不能稳定。 1 3 论文背景及个人贡献 1 3 1 课题介绍 本论文的研究是以本人导师黄以华副教授主持下的广东省教育部产学研结 合项目l e d 照明产品功率变换与数据控制一体化技术的研发及产业化应用， 以及国家自然基金项目大功率径向振动压电变压器设计理论与方泫研究作为 背景，研究开关电源在照明产品中的应用，对小功率开关电源的关键技术进行研 究探讨，在理论分析的基础上联系实际应用，设计出一个稳定可靠的双路隔离输 出的小功率开关电源，给l e d 照明产品中的逻辑控制单元和数据通信链路供电： 在此基础上，针对电磁式变压器电磁干扰严重的问题，对电磁干扰非常低的新型 器件一压电变压器的应用进行了研究探讨，结合理论分析，设计出一个效率较 高、能够在设定输出功率下输出稳定电压的开关电源。 1 3 2 主要贡献 本文通过对目前小功率开关电源中的一些关键技术进行研究，结合具体应 用，设计出一个双路隔离输出的开关电源，应用于l e d 照明产品中。在此基础 上，针对基于电磁式变压器的开关电源电磁干扰严重的问题，对电磁辐射很小的 压电变压器在开关电源上的应用进行了研究和设计。主要包括： 设计了双路隔离输出的高频变压器：通过理论的分析，总结出一套适用 于多路隔离输出的高频变压器的设计方法，设计了适用于l e d 项目中的开关电 源的高频变压器。 设计了开关电源的反馈环路：通过对电路反馈环路稳定性的理论分析， 给出了反馈回路的传递函数，以及控制环路的设计指导。 提出了适用于提高l e d 项目中的开关电源交叉调整率的方法：通过对 多路输出开关电源交叉负载调整率的常用设计方法的分析，提出了一种适用于小 5 小功率开关电源关键技术及应j j 研究 功率多路隔离输出开关电源的简易的方法，即主回路采用反馈控制实现精确稳 压，辅助回路采用线性稳压芯片进行稳压，从而实现隔离输出开关电源的各支路 都能精确稳压。 设计了个基于压电变压器的开关电源：通过对目前压电变压器的理论 的研究，并结合p s p i c e 仿真，设计了一个基于压电变压器的开关电源，该电源能 够在a c l 0 0 v 1 2 0 v 范围内，负载1 0q 2 0q 范围变化时，输出稳定电压1 0 v 。 把双路隔离输出的开关电源应用于l e d 照明产品中，并提出一种有利 于提高照明产品功率因数的有源功率因数校正电路。 1 4 论文安排 论文一共分为六章。 第一章为引言，主要介绍本论文的研究背景、国内外研究现状、研究目的以 及本人在论文中所做的工作，指出本论文研究的意义。 第二章是开关电源的工作原理及小功率开关电源中的关键技术的概述，总结 了目前小功率开关电源中常见的一些关键设计环节。 第三章主要设计了基于开关电源控制芯片t n y 2 6 6 的双路隔离输出的开关 电源，通过对目前小功率开关电源中关键技术的理论分析，并联系实际电路应用， 提出适用于本开关电源的一些关键技术的解决方法。 第四章设计了一个基于压电变压器的开关电源，由于第三章所使用的电磁式 变压器电磁干扰严重，而压电变压器具有低电磁干扰、体积小、不会燃烧等优点， 这一章结合目前压电变压器的理论分析，设计出一个具有较高效率的开关电源。 第五章为设计结果验证，首先对基于压电变压器的电源进行仿真和实际测 试；然后结合本论文的研究背景，把第三章设计的开关电源应用于l e d 照明产 品中，对电源的相关参数进行测试；最后针对l e d 照明灯具在调光过程不能保 持高功率因数的问题，提出采用有源功率因数校正的方法，并给出了一个有源功 率因数校正电路的原理图。 第六章是总结与展望，总结全文并且进一步提出小功率开关电源的一些关键 技术的研究和发展方向。 6 第2 章开关电源的工作原理及关键口j 题 第2 章开关电源的工作原理及关键问题 在直流稳压电源中，目前主要分为线性串联稳压电源和开关稳压电源两大 类。开关电源与线性电源相比，具有体积小、重量轻、效率高、工作电压范围宽 等优点。 2 1 开关电源的工作原理 开关稳压电源的电路原理框图如图2 1 所示。整个电路的工作原理是：交流 输入电压经过输入整流滤波后得到脉动的直流电压，此直流电压经过功率变换电 路，逆变成高频交流电压，输入到隔离式高频变压器，经过变压器降压后，再经 过输出整流滤波电路得到稳定的直流电压输出。反馈控制电路由采样电路、比较 放大电路、振荡电路、脉宽或脉频调制电路、以及基准电压电路等构成。这部分 电路目前已集成化，制成了各种开关电源专用集成控制芯片。控制电路通过调整 高频开关元件的开关时间比例，达到稳定输出电压的目的。 交 一一- ，。 图2 1 开关电源电路的原理框图 2 2 开关电源常见的拓扑结构 出 开关电源常用的基本拓扑约有1 4 种，每种拓扑都有其自身的特点和适用场 合【2 4 1 。下面对最常用的几种拓扑结构进行介绍。 7 小功率开关电源关键技术及应j j 研究 2 2 1b u c k 变换器1 2 5 i 图2 2 所示为降压斩波电路( b u c kc h o p p e r ) ，也称降压变换器( b u c k c o n v e r t e r ) 。其工作原理是：当开关管q 导通时，电源u i 向负载供电，同时电感 l 和电容c 储存电能；当开关管q 关断时，电感l 和电容c 释放电能，通过二 极管d 续流，向负载供电。其输出电压甲均值为 u d = 等u ， ( 2 1 ) 图2 - 2b u c k 变换器 2 2 2b o o s t 变换器1 2 5 i 升压斩波电路( b o o s tc h o p p e r ) 的电路原理图如图2 - 3 所示。其工作原理是： 开关管导通时，电源u i 向电感l 充电，同时电容c 上的电压向负载供电；开关 管关断时，电感中感应电压与输入电压同极性，电源u i 和电感l 共同向电容充 电，并向负载提供能量。变换器稳态时，输出电压为 丁 u 。= u f( 2 2 ) 图2 3b o o s t 变换器 2 2 3 正激变换器0 2 4 l 正激变换器的电路如图2 _ 4 所示。请注意变压器t 同名端( 图中小黑点) 标法，此变压器是严格意义上的变压器，仅起到变换电压作用，没有储能作用， 因此输出端要加一个电感l 作为能量的存储及传递元件。工作原理是：开关管 8 第2 章开关电源的工作原理及关键问题 导通时，变压器初级和次级绕组都流过电流，二极管d l 导通，次级电流给扼流 电感l 和电容c 充电并给负载提供电压；开关管关断时，次级绕组感应电压使 得d ，反向偏置，d 2 导通，为电感电流提供续流回路，此时电感电容放电并提供 负载电压。因为能量是在开关管导通时传递给次级的，所以叫正激变换器。 l 一 一m f ：j l 1 图2 4 正激变换器 2 2 4 反激变换器1 2 4 l 反激变换器又称f l y b a e k 式变换器，其电路如图2 5 所示。这里变压器等效 于一个有两个绕组的电感，初级绕组用于储能作用，所以其原理和b o o s t 变换器 类似：当开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；当开 关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独 提供负载电流时消耗的能量。由于反激变换器的电路拓扑结构简单，能提供多组 直流输出，体积小重量轻，因此广泛应用于中小功率变换场合。 j f a m 图2 - 5 反激变换器 2 3 小功率开关电源中的若干关键问题 小功率开关电源的常见关键环节的设计包括：高频变压器设计、反馈环路的 稳定性、多路输出的交叉负载调整率、功率因数校正以及电磁兼容等。 9 十功$ 共电* * 键址m 盥“川研究 23l 高频变压器的设计 高频变压器是开关电源的核心器件，其设计的好坏直接影响着整个开关电源 的质量。高频变压器的设计主要分为两部分：一部分是磁芯的选择和设计，包括 磁芯的材料、型号规格和气隙的人小；另一吉l f 分是绕在磁芯上的导线的选择和设 计，包括线圈初次级的匝数，导线的线径太小。返两部分的设计涉及到开关电源 的工作模式、工作频率、输入输出功率、工作电压范l 封、效率等。由于在小功率 应用场合，多采用反激式开关电源，故在此针对反激，高频变压器的设计进行介 绍。 1 ，变压器磁芯 设计高频变压器时，必须选择合适的磁芯材料：i i 前开关电渊的高频变眶器 设计中，应用最多的是软碰铁氧体材料，萁。p 锰锌铁氧体共柯导磁率高，磁感应 强度巾等，电阻率高，损耗低，矫顽力小，价格低辞特点，特别适合十制作高频 变压器i “。 高频变压器的体移 影响开关电源的件税变压器的体秘主要取决r 苴所用的 磁芯形状和尺寸大小。按照形状分类，铁氧体磁芯主要有玮形磁芯、罐形磁芯、 螺纹磁芯、管形磁芯、e 形、i 形磁芯等。对于小型化、塑料龠密封式开关电源 模块可选低成本的e e 或e i 型磁芯：多路输出式开关电源则直采用e f d 型磁芯， 这类磁芯能提供较大的宙口，以便容纳多个次绒绕组1 2 “。 由于本文将议汁一多路输出的开关电源，放选择e f d ( e c o n o m i cf l a ld e s i g n ) 型磁芯，其产品外形如图2 - 6 所示。 掺矽 图2 - 6 e f d 型磁t 出 国内变压器磁芯厂商众多，各种e f d 型磁芯产品外形尺寸允许有一定侃差。 图2 7 发表2 - 1 为南京新康达磁业有限公司e f d 型磁芯部分产品外形尺寸规格。 第2 章开关电源的工作原理及关键问题 l l i 山 l l。 l le - j b事厚昏 图1f i g 1图2f i g 2 图2 7e f d 型磁芯外形【2 7 l 表2 1e f d 型磁芯尺寸规格1 2 7 1 型号图 尺、j d i m e n s i o n s ( m m ) t y p e 弓abcdefgh f i g ( r e o e f d l 0 l10 5 + 0 35 2 士o 12 7 士0 14 6 士o 27 6 5 士o 33 7 5 圭o 1 5o 21 5 ：t 0 2 e f d l 32l3 5 i - 0 38 0 j = o 23 0 士0 26 的1 5l0 5 土0 34 6 5 士o 1 51 5 ：l - o 1 e f d l 51 1 5 0 士o 57 5 ：l - o 24 7 士0 25 3 士o 31 1 0 士o 45 5 士o 3o 22 4 d ：o 2 e f d 2 0l2 0 = o 61 0 肚o 36 6 5 士 0 28 9 士o 215 4 1 0 57 7 士0 30 1 53 6 ：t o 2 e f d 2 5l 2 5 0 士o 7 l2 5 ：c o 39 1 士o 3 1 1 4 ：l - o 3 18 7 士o 79 3 士o 30 6 5 2 士o 3 设计高频变压器时，首先根据尺寸规格选择一款比较符合要求的磁：卷，然后 根据所选择磁：卷参数，计算变压器其他重要参数，如初级电感、气隙、绕组线径 等。n c de f d 型磁j 苍参数见表2 - 2 。 表2 - 2e f d 型磁芯参数1 2 7 1 磁芯参数c o r ep a r a m e t e r重量 a i ( n h n 2 ) 型号t y p ec ll e& 铭w e i g h t l p 3l p 3 a ( m m 1 )( m m )( m m 2 )( m m 3 )( g p r s )( 士2 5 )( 4 - 2 5 ) e f d l o3 32 3 77 2 01 7 l0 95 0 04 7 0 e f d l 33 0 73 8 71 2 64 8 72 56 3 06 0 0 e f d l 52 2 73 4 01 5 o5 1 0 2 8 7 0 06 7 0 e f d 2 01 5 24 7 03 1 o 1 4 6 07 o 1 1 5 01 1 0 0 e f d 2 5o 9 8 5 75 8 3 3 0 01 62 0 0 01 9 3 0 表2 2 中，c l 为磁j 卷系数，l 。为有效磁路长度，氏为有效截面积，v c 为有 效体积，彳，为等效电感因素。 在变压器的设计过程中，要防止出现磁饱和现象。达到磁饱和状态时，磁芯 小功率开关电源关键技术及应用研究 磁导率下降到接近l ，磁感应强度几乎不随磁场强度的变化而变化，导致电感因 电流变化而产生的自感电动势增量减小，对电流的阻碍作用变弱，结果导致电流 增大，甚至会使变压器因过热而“炸机。因此，在利用铁氧体磁芯的变压器设 计中，变压器工作时最大的磁通密度嘞要小于铁氧体材料饱和磁通密度风，通 常是增加气隙，避免出现饱和现象。 由安培环路定律和电磁感应定律，以及磁感应强度与磁场强度的关系，可以 得到匝数为，磁路长度为，的环绕在磁芯上的电感线圈具有的电感量三为 脚等s ( 2 - 3 ) 式中，j u 为磁芯的磁导率，s 为磁芯的截面积。 对于具体的磁芯，匝数为坼电感线圈具有的电感量为 lp=alxn(2-4) 当通过电感线圈的电流达到峰值时，电感磁通密度达到最大值戤为 吃。= 格= 掣p p 5 ， 如果上式计算结果大于材料的饱和磁通密度a s ，则应该重新设计其余参数， 或者选取具有较高b 值的铁氧体磁芯。在实际应用中，为了确保安全，通常要 留出一定的裕量，选取不超过b 值的一半。 由于铁氧体磁芯导磁率很大，电感因数彳，高( 如e f d 2 0 达到1 1 5 0 ，胛2 ) ， 当绕组通电时很容易因电感量过大而导致磁芯饱和，最大磁通密度氏。超过磁芯 的饱和磁通密度b 。因此，需要降低磁芯的磁导率，降低其等效电感因数，目 前常用的方法是制作变压器时在两块磁芯间留出一定的气隙，即开气隙的方法。 由磁路欧姆定律，当在磁路上加入气隙时，由磁路磁阻的串联原理，可以得 到通过一个磁路截面积的磁通量 扯盎2 去5 惫 弘6 ， p s 弘 第2 章歼关电源的_ 作原理及关键问题 式中，凡为磁动势，r 册为磁阻，、厶分别代表磁芯磁路和气隙磁路的长度。 对于匝数为雌，电感量为三p 的电感线圈，需要开的气隙的长度为 4 睁才1 亿7 ， 2 电源工作模式 反激式开关电源有两种工作模式，一种是连续模式c u m ( c o n t i n u o u sm o d e ) ， 另一种是断续模式d u m ( d i s c o n t i n u o u sm o d e ) 。图2 - 8 是两种模式下初、次级 开关电流波形示意图。如图定义电流纹波比如为脉动电流厶与峰值电流的 比值，即 k r p = ir i pq i s ( a ) 连绥模式( b ) 断续模式 图2 8 开关电流波形 连续模式下，开关电流呈梯形，珞p 1 0 ，储存在高频变压器内的能量在每 个周期内并未完全释放完。 断续模式下，开关电流呈三角波形，如= 1 0 ，储存在变压器内的能量必须 在每个周期内完全释放。 采用连续模式需要的初级电感量较大，而采用断续模式需要的初级电感量相 对较小，但由于采用连续模式初级绕组电路中的交流成分要比不连续模式低，可 以降低峰值电流，减小功耗，并能减小趋肤效应以及高频变压器的损耗口6 1 ，对 于小功率开关电源的应用场合，能够提高电源效率，不失为一种很好的选择，因 此，下文也将基于连续模式展开讨论。 小功率开关电源关键技术及应j | j 研究 3 反射电压与占空比 反射电压( r e f l e c t e dv o l t a g e ) 是反激式开关电源中一个重要的物理量，是开 关管截止时初级电感上感应出来的电压。如图2 - 9 所示，当开关导通时，由于变 压器初次级极性相反，次级二极管d ，截止，初级电感储存能量；当开关管截止 时，流过开关管的电流瞬间减小到几乎为零，初级电感产生与输入电压极性相反 的感应电动势，即为反射电压u 墉，此时次级二极管d 。导通，能量传递给次级， 反射电压按匝数比变换得到次级输出电压眈。 d ld i ( a ) 开关管导通 ( b ) 开关管截止 图2 - 9 反射电压示意图 考虑次级肖特基二极管导通正向压降，变换比公式为 n = n pfn s = u o r | 删o + uf 、)q 书 开关电源占空比d 是指开关导通时间和开关周期的百分比，输入电压u 的 波动对输出电压造成的影响可以通过调节占空比d 来调节。 占空比d 与反射电压之间存在关系 肚瓦耗蚶o o ( 2 加) u 矗+ u u 胤。) 、7 由式( 2 1 0 ) 可知，输入直流电压的最小值f m 枷和反射电压决定开关 电源工作时最大占空比d i ，故在设计开关电源时可以选择合适占空比的控制芯 片。 4 初级电感 初级电感是反激式高频变压器中的储能元件，其电感量的大小影响变压器储 能能力的大小和变压器的体积。定义变量：乞为输出功率，f 为电源开关频率， 第2 章j f 关电源的工作原理及关键问题 z 为损耗分配系数，7 为电源效率，昂为初级电感峰值电流，根据功率的分配关 系，可以得到初级电感量 。2 可1 0 6 再, 竿 ( 2 - 1 1 ) 式( 2 一“) 中，l p 的单位为胪，只、i p 和厂的单位分别为、a 和h z 。 5 电流波形参数 电流的波形参数包括甲均值、峰值、脉动值、有效值。初级开关电流波形如 图2 1 0 所示。其峰值影响最大磁通密度，并受到控制芯片的峰值电流的限制， 从而影响控制芯片的选择；有效值影响初级绕组线径的大小。 i p i a v g 2 1 0 初级开关电流 根据功率变换，可以求得最大输入电流的甲均值 初级峰值电流 i a v g = p i 加= 石话v o ( 2 - 1 2 ) 2f 商i a 瓦v g ( 2 - 1 3 ) 根据式( 2 8 ) 得初级脉动电流 i r = lp x k 盱q 一1 4 1 根据有效电流的定义，采用热等效的方法，可以求得初级有效电流 k = d m 戤( 孚一+ 1 ) ( 2 _ 1 5 ) 次级电流波形参数有三个：峰值、有效值、脉动值，有效值影响次级线径大 小的设计，脉动值影响输出滤波电容的选择，即滤波电容的纹波电流应大于脉动 1 5 小功率开关电源关键技术及应用研究 电流。 根据变压器电流变换原理，求得次级峰值电流 b 却等 ( 2 - 1 6 ) 式中，p 和n s 分别为初、次级匝数。 次级有效值电流毛淞 k = k 1 - ) m a x ) ( 譬- g e e + 1 ) ( 2 - 1 7 ) 次级脉动电流如，即为输出滤波电容上的纹波电流。次级脉动电流为 l 融= 0 i ：吼幅一i 毛 q 一1 8 ) 2 3 2 反馈环路稳定性的设计 一个反馈系统在正常工作条件下，启动和运行可能是稳定的，但在开机或输 入电压产生瞬时变化时，可能会受到冲击，造成连续振荡，导致输出不稳定。元 件在长期工作后公差变大，不当的输入滤波器，输出负载电容，也会导致开关电 源不稳定。因此，设计一个稳定的反馈网络，是开关电源能否长期稳定工作的一 个重要保障。 一个电路是否能稳定工作，采用波特图分析法对电路环路增益和相位裕度进 行分析是一种简单而又有效的方法。对于一个电路，有环路稳定性判断的三大准 则【2 4 】： ( 1 ) 在开环增益为1 的频率( 通常称为剪切频率、交越频率、增益交界频 率或截止频率) 处，系统开环增益的相位延迟必须小于1 8 0 。( 也有的文献 说法是，系统所有环节的总开环相位延迟必须小于3 6 0 。，此时是包括了负 反馈引起的1 8 0 。的延迟) ，通常的设计准则是使系统至少有3 5 。 4 5 0 的相位 裕度( p h a s em a r g i n ) 。 ( 2 ) 为防止- 4 0 d b 1 0 倍频程的增益斜率的电路相位快速变化，系统的开环 增益( 包括回路中所有环节增益之和) 曲线，在剪切频率附近的增益斜率， 应为2 0