无工频变压器式集成稳压电源的高频变压器设计

无工频变压器式集成稳压电源的高频变压器设计

开关集成稳压电源被称为“新型高效节能电源”，它代表了稳压电源的发展方向。选用带高频变压器的单端输出式脉宽调制器,电源效率可达70%～80%左右,并可省掉工频变压器,制成功率为几十瓦的开关电源。高频变压器是其核心部件之一,而高频变压器的设计也是研制开关电源的关键技术。1带原理驱动的压电设计无工频变压器式集成开关电源分脉宽调制式(PWM)和脉频调制式(PFM)两大类。前者是对脉冲宽度进行调制,后者则是对脉冲频率进行调制,均可实现稳压目的。目前,开关电源大多采用PWM方式,也有少数用PFM方式,后者要求滤波电路能在宽频带下工作。表1列出目前国内镶生产的脉宽调制器和脉频调制器典型产品的分类。下面以UC3842为例,介绍开关电源和高频变压器的设计。2vd1vd4管由UC3842构成的开关电源电路如图1所示,T为高频变压器。刚开机时,220V交流电先通过PNF滤掉射频干扰,再经过整流滤波获得约+300V直流电压,然后经R2降压后向UC3842提供+16V启动电压。R1是限流电,C1为滤波电容。正常工作后,自馈线圈N2的高频电压经过VD1、C3整流滤波,就作为UC3842的正常工作电压。R5、C4用以改善内部差放大器的频率响应,R3是斜波补偿电阻关频率f≈1.8/R6C6≈40kHz。C5为消噪电,R10是过流检测电阻,R7是VMOS开关功管的栅极限流电阻。由C8、VD3、R11、R12D2、C9构成两级吸收回路,用于吸收尖峰电。VD1～VD3选用快恢复二级管FR305。VD4输出级的整流管,采用肖特基二级管,以满足频、大电流整流之需要。整机工作过程是首先过自馈线圈N2对输出电压采样,然后依次过芯片中的误差放大器、PWM馈存器和输级,去控制VMOS管的导通与截止,以决定频变压器的通断状态,最终达到稳压目的。3高频设备设计3.1催化剂的选用常见软磁铁氧体磁芯的材料性能见表2。表中的材料标号MXO为锰锌铁氧体,NXO为镍锌铁氧体,NQ为镍铅铁氧体,NGO为镍锌高频铁氧体,GTO为甚高频铁氧体。因NQNGO、GTO型软磁性材料的电阻率极高,接近于无穷大,故表中未列出具体数值。开关电源的频率一般为几十千赫至几百千赫,宜选国产MXO-2000型锰锌铁氧体,其磁导率＿=2000H/m。由这种材料制成EE型磁芯具有漏感小、耦合性能好、绕制方便等优点。对于20～80W的小功率开关电源,可采用E-12型磁芯,磁芯有效截面积SJ=1.44cm2,饱和磁通密度BS=400mT。使用时为防止出现磁饱和,实取磁通密度B=250mT。3.2反激式变压器电动势当电网电压在220×(1±0.2)V范围内变化时,对应于176～264V。经全波整流滤波后的直流输入电压VImin≈240V,IImax≈360V。单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e≈170V,线圈漏感造成的尖峰电压VL≈100V。因VImin+e+VL≈630V,故开关功率管应能承受630V以上的高压。计算脉冲信号最大占空比3.3短路保护时,载线电流为5.高频变压器初级线圈的电感量L1由下式确定:将开关电源效率Z=70%,VImin=240V,Dmax=41.5%,输出功率P0=35W,开关频率f=40kHz一并代入(1)式中得到L1=2.48mH。设满载时的峰值电流为IP,在进行短路保护时的过载电流为IS,有公式不难求出IP=1.0A,IS=1.3A。在初级线圈上储存的电能为3.4安塞密度初级线圈的安匝数N1·IS与所储存的电能W之间存在下述关系式:将W=2.1mJ,B=250mT,SJ=1.44cm2代入(3)式得N1·IS=116.7安匝。因此N1=(N1·IS)/IS=116.7/1.3=89.7匝,实取N1=匝采用高强度漆包线绕制。3.5次级线圈n的选择确定N1之后,利用下式可计算出N2、N3:式中,V0为线圈两端电压,VF为整流二级管的正向导通压降。自馈线圈中的整流管VD1采用FR305型快恢复二极管,其VF≈1V。线圈两端电压V0=20V时经整流滤波后可获得大约16的直流电压向供电不难算出取N2=11匝,采用0.51mm高强度漆包线。次级线圈N2的回路中选用低功耗、大电流、超高速整流器件——肖特基二极管D80-004,其正向导通压降VF≈0.4V,考虑到输出电压0=5,故鉴于输出电流I0为7A时,线圈的铜阻及输出端引线电阻上均会形成压降,为避免输出电压跌落,应适当提升V0值,可取N3=4匝。用4股1.0mm高强度漆包线并联后绕制而成,此时电流密度J=2.1A/mm2。3.6空气隙w的设置为避免因高频变压器发生磁饱和现象而损坏开关功率管,需在E-12磁芯的两侧各留出一定的空气隙W。假定气隙处磁场未发生泄漏,则W=0.04πN1ISB=0.04×3.14×90×1.3250=0.06cm=0.6mm,实取W=1.0mm,每边各留出0.5mm的气隙3.7irfpg40的电路前已述及,开关功率管应能承受630V以上的高压。为安全起见,应采用耐压1000V的VMOS管。现选用美国国际整流器公司(IR)生产的IRFPG40,其漏-源极可承受最高电压VDSM=1000V,最大漏极电流IDM=4.3A,最大功耗PDM=150W,完全可满足要求。但在使用时必须加合适的散热器。3.8次级线圈回路自馈线圈回路中可选FR309型快恢复二极管,其耐压值为1000V,额定整流电流为3A。次级线圈回路宜选用肖特基二极管,它属于高频、大电流、低功耗器件,其正向导通压降还不到快恢复二极管VF值一半的。D80-004型肖特基二极管的主要参数如下:平均整流电流I0=15A,最大正向压降VF=0.4V,反向恢复时间trr<10ns,反向峰值电压VR=40V。4快恢复电极frd的设计UC3842的同类产品还有UC1842(军品)、UC2842(工业品),三者的区别仅是工作环境温度范围不同,依次为0～70℃、-55～125℃、～℃。由UC3842构成的开关电源属于单端反激变换器式。其最高工作频率尽管可达500kHz,但受制作工艺、开关功率管频率特性等因素的限制,通常将f设计为几十千赫。使用VMOS管时,f≈40kHz;用双极型开关功率管时,f≈20kHz为宜。当电路起振后,用示波器从UC3842的第4脚可观察到幅度约1.5V、周期为25μs的锯齿波。反向恢复时间trr的定义是:电流通过零点由正向转换成反向,再从反向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频整流及续流器件的重要技术指标。反向恢复时间愈短,高频开关特性愈好。肖特基二极管(SBD)是以金、银、钼、铂等贵金属为正极(阳极),以N型半导体材料为负极(阴极),利用二者接触而上形成的势垒具有整流特性而制成