反激式开关电源的电路设计与参数计算

1、2013年第09期ChinaAU rightsreserved.4. P «* V反激式开关电源的电路设计与参数计算陈建林王冬剑刘江南（中国电子科技集团公司第三十六研究所浙江力口兴314033Circuit Desig n and Parameter Calculatio n of Flyback Switchi ng Power SupplyCHEN Jia n-linWANG Don g-jianLIU Jia ng-nan(The 36th In stitute of Chi na Electro nics Tech no logy Group Corporatio n, Ji

2、ax ingZhejiang 314033, China【摘要】反激式开关电源以其简单、轻巧、实用等特性，在工程技术中 得到广泛应用。本文在简要介绍开关 电源拓扑结构 的基础上，详细分析脉冲变压器的参数设计和MOS管的选型要求，同时介绍控制 回路和吸收电路的参数计算，并对设计方案进行实验验证。结果表 明，所设计的反激式开关电源性能稳定、可靠性高。【关键词】反激；开关电源；脉冲变压器；吸收电路ABSTRACT:Due to the characteristic of simple, legerity and utility, flyback switching power supply is w

3、idely used in engineering. This text firstly introduces the topology of switch ing power supply briefly, the n an alyses parameter desig n of pulse tran sformer and performa nee requireme nt of MOSFET in detail, parameter desig n of control and absorber circuit are also introduced. Experiment result

4、s indicate that flyback switch ing power supply desig ned in this text is stable and reliable.Keywords:Flyback; Switchi ng Power Supply; Pulse Tran sformer; Absorber Circuit 引言OChinaAll rightsreserved.Pub) bh ing Hou輻 hltp/wwxnki. net 1994-2014 Academic Journal Electronic电源技术注用POWER SUPPLY TECHNOLOG

5、IES AND APPUCATIONS开关电源具有效率高、体积小、重量轻等特点，成为稳压电源的重要发展方 向之一,获得日益广泛的应用。作为开关电源中的重要 分支,反激式开关电源占据 开关电源中的大部分市场份额，具有很大的研究价值。本文设计了一种用于电动汽车的单端反激式小功率开关电源，输出功率12W (12V , 1A。采用ST公司的UC3842输出固定频率65KHz的PWM波,驱动N沟 道M OS管IRF640,实现电流电压双闭 环控制,改善输出电压的稳定性和动态特 性。1. 开关电源拓扑简述开关电源主要分为非隔离式和隔离式两大类，非隔离式是指输入与输出之间具 有电气连接，没有相互隔离；隔离式

6、是指输入与输 出之间没有电气连接，通过脉冲变 压器的磁耦合方式传递能量。非隔离式开关电源的拓扑结构主要包括 BUCK型、BOOST型和BUCK-BOOST型;隔离式开关电源的拓扑结构主要包括 正激式和反激式。在目前的开关电源市场中隔离式开关电源占有较大的市 场份额。隔离式开关电源的两种拓扑结构如图 1和图2所示。图1所示为单端正激式 开关电源的拓扑结构图，正激式开关电源是指当开关 管导通的时候，能量从脉冲变 压器的原边向副边释放，当开关管关 闭的时候，能量停止释放。图2所示为单端反 激式开关电源的拓扑 结构,反激式开关电源是指当开关管导通的时候，原边储存能 量,当开关管关闭的时候，原边释放能量

7、，提供负载所需的功率。由于单端 反激式 开关电源成本低廉、结构简单,故在400W以下的小功率开 关电源市场中占有主 导地位。图1单端正激式开关电源拓扑结构 图2单端反激式开关电源拓扑结构2. 主体电路设计本文设计的反激式开关电源额定输入电压 DC 24V ,输出电压DC 12V ,用于为 电动汽车助力转向控制单元提供稳定可靠的直流电压。系统由主回路和控制回路两大部分组成(如图3所示，主回路包括脉冲变压器、M OS管及其外围电路；控制 回路主要包括PWM产生电路和电流电压反馈电路。图3反激式开关电源原理图2.1主回路器件定型主回路的核心器件包括脉冲变压器和M OS管,两者的合理选 型对整个开关电

8、源的性能和使用寿命具有重要影响。根据实际要求，所设计开关电源的输入电压范围为 V Im in =18V, V Im ax =36V, 输出电压 V 0=12V,输出功率P 0=12W,效率n =80%工作 频率f =65KHz。在不考虑漏感尖峰的条件下，反射电压V F决定M OS管的耐压 值,取反射电 压V F =20V,加上30V的安全余量,则M OS管的最低耐 压值为86V。反射电压 VF与输出电压V 0共同决定脉冲变压器的匝 数比n,V F =n (V 0+1(1式(1中，假设快恢复二极管的压降为1V ,则原副边匝数比n1.54根据伏秒平衡原理,(V Im in -1 T on =(V

9、0+1 nT r (2式(2中，假设M OS管和快 恢复二极管的压降均为1V , T on和T r分别表示脉冲变压器的导通时间和复位时间。为保证电路工作于断续模式且 预设20%的安全余量,T on和T r需满足如下关系,T on +T r =0.8T (3故脉冲变压器的最大导通时间 T on6.66u最大占空比D m ax 43.34原边电感 L =(V Im in T on 20=(18 6.68 >10-6 231.1(uH (4原边峰值电流 I =V T =18 686 80-6 3.85(A (5原边电流有效值I rms =I on姨=3.85姨1.46(A (6研究与设计 29

10、32013年第09电源枝*疝用POWER SUPPLY TECHNOLCX3IES AND APPUCAT1ONS期副边电流有效值r rms =I n r姨=3.85 1.54姨 2.08(A (7变压器磁芯选择 EE25/19,实效截面面积 A e=40.0mm2,磁感应 强度 B w =0.12T。原边匝数 N =V T e w =18 6.66 X0-6-625.0(8副边匝数N '=N =25.0=16.2(9综上所述,M OS管选型参数如下:V DS > 86V , ID > 5A实际选用 的M OS管为FAIRCHILD 公司的IRF640。变压器设计参数如下：

11、磁芯型号EE25/19,原边匝数N =25匝，线径© =0.6mm电感量L =31.1uH ,副边匝数N '=17匝,线径© '=0. 7mm。2.2控制回路设计控制回路的主要作用是输出 PWM波，控制M OS管的导通和 关断时间,核心芯 片采用ST公司的UC3842,该芯片采用固定频率、脉宽可调的控制方式,实现电压 电流的双闭环控制。内部振荡器的 工作频率由图3中的阻容器件R 3和C 3决定,f =1.72 R 3 CB (10按照设计要求,系统工作频率65KHz ,故可取R 3=12K Q , C 3=2.2nF。系统上 电后,电容C 1通过电阻R 1充

12、电，当达到UC3842的启动 电压16V时，电路开始正 常工作。UC3842内部误差放大器的反向 输入端通过电阻R 4接地,误差放大器的 输出端接电压反馈光耦P621的输出端，经内部二极管降压及电阻分压后，提供电流 比较器的基准电压。在一个开关周期开始时,UC3842的6脚输出高电平,驱动M OS管开通,当变压器输出电压或原边电流上升到超过设定 值时,内部电流比较器发 生反转，6脚输出低电平，M OS管开通时间 结束。由此可见，UC3842输出PWM 的占空比是由误差放大器的输 出电压及变压器原边电流取样信号共同决定。误差放大器的输出电压由电压反馈回路决定，电压反馈回路包 含三端稳压器 TL4

13、31、光耦P621及相关外围电路,如图3所示。当变压器输出电压增大时,光 耦原边电流增大，光耦副边等效电阻减 小,输出电流在该等效电阻上产生的压降减 小，从而输出占空比减 小，达到稳压的目的。变压器原边电流取样信号用于实现系统的短路保护，通过串接于主回路中的取样电阻R 8,将原边电流信号转换为电压信号送入 UC3842的3脚，利用3脚电压达到 1V后关闭输出来实现系统的 短路保护，实际电路中R 8取值为0.39 Q峰值电流限 制在2.56A以内。2.3吸收电路设计反激式开关电源在开关管的关断瞬间将变压器原边电感中的能量转移到副边输出，但因变压器漏感的存在和其他分布参数的影响,能量不能实现完全传

14、递，因而在开关管关断的瞬间会产生很高 的尖峰电压，这个尖峰电压严重威胁着开关管的正常工作,必须采取措施加以抑制。电压尖峰的吸收电路有多种，本文采用简单实用 的RC无损吸收，获得较好的吸收效果。由于吸收电路用于改善变压器漏感和寄生参数引起的波形变异,故应在实际电路设计装配完成之后进行设计，即从已确定的印制板、变压器、MOS管、整流 器等的参数来构建吸收电路，在理论计算的基础上进行经验设计，以期获得最佳的 吸收效果。RC吸收电路的设计步骤如下：(1通过示波器测量未接吸收电路时的振荡信号周期T 0=129.2 nS ;(2将高频电容跨接在变压器一次绕组的两端，使振荡周期变 为原来的3倍，确 定此时的

15、高频电容值C 0=2.0nF ,振荡周期T 0'=388.1 nS ; (3确定与电容串联的电阻 阻值：R 0=1 2 n f 0C 0 =10.3( Q (11实验表明，有多种R C组合均可产生较为满意的吸收效果，但上述组合理论上 能够产生最小的损耗，越大的电阻和越小的电容产 生的损耗就越小。实际电路中 取如下RC参数时，吸收效果最好：R 0=27Q , C 0=2.2nF。3. 实验验证图4图7是本文设计的反激式开关电源在带载0.6A时的示波器实测波形，由图可知,电源启动时间10.5mS , PWM波占空比为40.7%,电压尖峰值为25V ,变压 器反射电压20V , M OS管承

16、受的最 高开关应力为70V ,电流采样电阻反馈的电压 值为0.7V。通过上述数据分析可知，本文所设计的反激式开关电源达到设计预期， 满足所有的参数设计要求，具有一定的实用价值。图4启动过程动态响应曲线 图5MOS管栅极驱动电压波形图6MOS管漏源极电压波形 图7电流采样电阻电压波形 结束语反激式开关电源以其简单性、轻巧性和实用性，在工程领域得到了广泛的应 用,带来了很高的经济效益。本文以反激式开关电源 为研究对象,主要完成以下4 项工作:脉冲变压器和M OS管定型;开关电源控制回路设计；电压尖峰吸 收电路设计；对所设计的电路进行实验验证和参数分析 。结果表明，本文设计 的反激式电源技术窓用POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPUCATIONS电源技求注用POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPUCATIONS开关电源在电动汽车助力转向控制单元的实际使用过程中电POWER SUPPLY各项指标均能满足设计要求，具有良好的性能和较高的