多路輸出單端反激電源的設計

陳 城，黃 輝，王金寶，閆永昶，董圓圓

（北京交通大學 電氣工程學院，北京100044）

0 引 言

開關電源是電力電子設備中不可缺少的部分。隨著功率開關管技術的發展，開關電源的設計趨向于小型化、高頻化。相比較傳統的線性串聯穩壓電源，單端反激式開關電源具有輸出紋波小、效率高等突出特點，尤其適用于中小功率的開關電源。為了達到良好的線性調整率和快速的輸入輸出動態響應，適應工程應用中低成本高性能的設計要求，本文設計了一種基于UC2844的單端反激式開關電源［1］。

1 單端反激式開關電源的基本原理

單端反激式變換器的電路主要由輸入整流濾波電路、功率變換電路、輸出整流濾波電路等部分組成。單端反激電路的基本工作原理如圖1所示，功率開關管Q1高電平時導通，低電平時關斷。將經過整流的直流輸入電壓接在變壓器原邊Lp上，當PWM信號驅動Q1開通時，輸入電壓通過高頻變壓器在副邊感應出上負下正的感應電壓，整流管D1反向截止，此時通過電感儲存電能，沒有能量傳遞給負載。當開關管Q1截止時，原副邊繞組上的電壓極性反轉，整流管D1正向偏置導通，變壓器中儲存的磁能又轉化為電能向副邊釋放。其中高頻變壓器在Q1開通時起電感儲能作用，也起到了變壓隔離的作用。對于單端反激式變換器應用中比較突出的磁芯磁復位問題通常用加氣隙來解決，既能將輸出波紋有效降低還能將開關頻率進一步提高［2］。

圖1 單端反激式變換器簡圖

圖2 為開關電源的基本原理示意圖。系統主要由單端反激式變換電路和PWM控制電路兩部分組成，設計的目的是將輸入的交流電經過整流濾波后的直流電壓轉換成±15 V和5 V三路輸出，實現對負載供電?？刂扑悸肥牵涸陔妷悍答伒拇箝]環中，加入電流反饋部分參與動態調節，形成雙環控制［3］。具體實現步驟是：采集電壓電流信號，通過PWM控制器控制開關管的通斷，進而調節變換器中的峰值電流，從而改變輸出電壓直至符合設計要求。系統采用了電壓電流雙閉環控制，當電路正常工作時，反饋繞組對UC2844進行供電，同時反饋電壓經過分壓電阻送入UC2844，與基準電壓比較后再經誤差放大器放大，輸出信號再與電流反饋環的反饋信號比較，進而調節占空比，保持輸出電壓的穩定。采用這種控制方式可以解決電源在實際應用中面臨的負載電流變化率較高的情況，提高了系統的動態響應速度。

圖2 系統結構示意圖

2 多路輸出單端反激式開關電源的設計

多路輸出單端反激式開關電源設計的性能要求如下：

輸入電壓：AC90～240 V，50 Hz。

輸出：DC＋5 V，額定電流3 A，最小電流0.75 A；

DC＋15 V，額定電流1 A，最小電流100 mA；

DC－15 V，額定電流1 A，最小電流100 mA；

DC＋5 V，偏置電流0.1 A。

效率：η＝80%。

工作頻率：f＝50 k Hz。

工作磁通密度：Bmax＝2 000 G。

基于電源低成本高穩定性的目的，結合實際應用環境，最終選取了Unitrode公司生產的電流型PWM控制器UC2844。UC2844可直接驅動 MOSFET，性能可靠、安裝簡單。在使用UC2844的基礎上通過表1所示的優劣對比選擇了峰值電流控制方式［4，6］。

表1 常見控制方法的對比

根據上述性能要求，單端反激式開關電源原理圖如圖3所示。

2.1 高頻變壓器設計

單端反激式開關電源中變壓器不同于其他雙極性變壓器，能量不僅要傳遞還要在電感中儲存。這就要求采用特殊的方法設計高頻變壓器，同時考慮到其特殊的應用環境。

（1）估算輸入功率、輸入電壓、輸入電流和峰值電流

a.輸出功率：Po＝5 V×3 A＋2×15 V×1 A＝45 W。留有一定的余量所以取Po＝60 W

b.輸入功率：Pin＝Po／η＝60 W／0.8＝75 W

c.輸入電壓：Uin（min）＝90 V×1.414＝127 V

Uin（max）＝ 240 V×1.414＝340 V

d.最大、最小平均輸入電流：

計算可得最大平均電流為0.59 A，最小輸入電流為0.133 A。

e.峰值電流：

計算可得峰值電流為2.60 A。

（2）確定磁芯型號尺寸

根據EI磁芯性質65 W可選用每邊約35 mm的EE35／35／10材料為PC30磁芯。

磁芯Ae＝100 mm2，Acw＝188 mm2，W＝40.6 g

（3）計算一次電感最小值Lpri

此處選最大占空比Dmax＝0.5，計算可得Lpri＝488μH。

（4）計算磁芯氣隙Lgap值

式中：Ae為磁芯的有效面積，代入數值計算得到lg＝0.4 mm。查表可得，EE35／35／10的 AL＝120μH／N2，Lgap約為0.5 mm。

（5）計算一、二次繞組匝數

其中Npri為一次繞組最大匝數，Ns1為DC＋5 V繞組。其中副邊繞組匝數按輸入最小電壓，導通的占空比最大進行計算。

由公式（6）計算得63.7 T，取 Npri＝64匝。由公式（7）計算得2.87 T，取Ns1＝3匝。

此處整流二極管壓降UD＝0.7 V

（6）計算其它次級繞組匝數

經計算得：

（7）計算和選取繞組導線線徑

線徑公式：

這里J＝3 A／mm2

計算趨膚深度：

S＝66.1／SQRT（f）＝66.1／SQRT（50×103）＝0.296 mm，穿透深度為2S＝0.592 mm 。

由于高頻電流流過導體時，電流的趨膚效應變得比較突出，也就是說電流從導體的外表面往內按深度的深度內可以通過電流，再深的地方就沒有電流流過，這樣就造成浪費。所以選擇導線的線徑應該小于0.592 mm［7］。

2.2 器件選擇

開關管選用意法半導體高電壓功率MOSFET STP3N150。穩壓二極管選用18 V／1 W的1N4746A。整流二極管選用UF2004。

2.3 電路仿真

利用Saber軟件對電路進行仿真分析。Saber是美國Analogy公司開發的系統仿真軟件，是迄今為止唯一的多技術多領域的系統仿真產品。一般基于Saber的仿真分析主要有基于原理圖和基于網表兩種分析方法。前者比較直觀，但是需要在仿真分析設置和結果觀察兩個工具之間進行切換，分析步驟比較復雜［8］。

通過對電路的實際仿真，得到圖4和圖5電路正常工作時的輸出電壓波形。由圖可以看出，本文所設計的15 V電源滿足電壓調整率和負載調整率的要求。

圖4 電路正常工作時15 V端的仿真波形

圖5 電路正常工作時5 V端的仿真波形

3 實驗結果及分析

圖6所示是單端反激式開關電源的實物圖。應用上述原理設計的開關電源具有＋15 V，－15 V，＋5 V三路輸出。圖7到圖9是電源正常工作時各路的輸出波形。當輸入電壓發生波動時，UC2844通過反饋信號來調節輸出脈沖占空比，盡量維持三路輸出的波形不變［9］。

圖6 單端反激式開關電源實物圖

圖9 電路正常工作時5 V端口的輸出電壓

實驗結果表明電源在額定功率下能夠正常穩定的工作。由于主電路中電容充放電時形成的電壓波動影響，會使MOS管在開關過程中形成輸出電壓的脈動，產生有害的紋波。本文所設計的多路輸出單端反激式開關電源能夠較好地解決這個問題，完全滿足設計要求。［10］

4 結束語

圖7 電路正常工作時＋15 V端口的輸出波形

圖8 電路正常工作時－15 V端口的輸出波形

經過實驗證明本文所設計的基于UC2844的多路輸出單端反激式開關電源符合基本設計要求，輸出紋波小、動態響應性能良好，具有良好的應用前景。

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［5］ 王明炎.單端反激式開關電源高頻變壓器設計［J］.中國科技信息，2010，4：124－128.

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［7］ 林曉偉.單端反激開關電源原理與設計［J］.電子工程師，2007，33（05）：34－36.

［8］ 陳航新.基于Saber的反激式開關電源仿真［J］.電子科學，2010，8：20－21.

［9］ 張慧濤，黃先進，葉 斌.基于電流控制型芯片的多路輸出反激式開關電源設計［J］.通信電源技術，2007，24（01）：27－29.

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