小功率開關電源設計及關鍵技術研究

胡園一 趙坤渝

（重慶市送變電工程有限公司，中國 重慶 401120）

0 引言

現代電子設備正朝著小型化，低成本化方向發展，這要求其電源系統也要朝著輕、薄、小和高效率方向發展。傳統的線性電源無法克服其工頻變壓器體積龐大，效率低下等缺點，越來越難以滿足現代電子設備特別是小型化設備的要求。而開關電源采用功率管為核心器件，具有功耗低，體積小等優點。因此，研究開關電源的設計及其關鍵技術，具有很好的科研價值及經濟意義[1]。

1 開關電源工作原理

開關電源的結構原理框圖如圖1 所示。交流輸入電壓通過EMI濾波及整流環節后得到脈動的直流電壓Vi。直流電壓Vi經過功率變換，逆變為受到控制的、符合電路要求的方波脈沖電壓。高頻方波脈沖電壓經過整流濾波后得到穩定的直流電壓輸出。途中的控制電路部分對開關信號放大、整形，利用調整高頻開關元件的開關時間比例，使輸出電壓保持穩定。時鐘振蕩電路，它產生的高頻波段信號與控制信號進行疊加，從而調節脈沖寬度。

圖1 開關電源構成原理框圖

1.1 拓撲結構選擇

在常用的開關電源拓撲結構中，反激式變換器相比于正激式拓撲結構和推挽式拓撲結構，具有適用于低于150W 小功率開關電源的優點[2]。

這種拓撲結構工作時，變壓器原邊驅動導通的時候，其副邊不會向負載供電，原副邊交錯導通，因此叫反激式。單端反激式拓撲結構簡單，只需增加二次繞組和相關電路就可獲得多路輸出，而且重量輕體積小，傳輸功率為20～100W，因此常常用于小型的儀表儀器、家用電器電源等中小功率變換場合。其輸出電壓為：

1.2 電磁干擾濾波器設計

現代電子設備正逐漸變得越來越復雜，由此產生的各種電磁干擾問題往往會造成電子設備無法正常工作，成為設計中不得不考慮的重要因素。在開關電源設計中，電源噪聲是電磁干擾的主要干擾，屬于射頻干擾[3]。

針對開關電源中存在的干擾類型，綜合考慮開關電源的體積要求和成本要求，采用單級的EMI 濾波器。該基本電路有兩個輸入、輸出端，一個接地端，電路中包括濾波電容C1～C4、共模扼流圈L。根據電磁兼容國際標準的規定，能濾除電源線間差模干擾的電容，叫做X 電容。能濾除一、二次繞組耦合所形成的共模干擾，叫做Y 電容。C1和C2采用薄膜電容器，容量范圍大約為0.02～0.48μF，其主要的作用是濾除串模干擾。C3和C4跨接于濾波器的輸出端，同時把電容的中間點接在大地，使其能有效的抑制共模干擾，C2和C3的容量范圍大約是2200pF～0.1μF 為了減小漏電流，電容器應不超過0.1μF。

1.3 高頻變壓器設計

高頻變壓器在開關電源中起傳輸能量、存儲能量的作用，是開關電源制作技術中非常關鍵的部分[4]。EE型磁芯磁損低，適應性強、價格低，且根據輸出功率范圍，本文選擇鐵氧體磁芯EE22型，輸出功率為10～20W，磁芯長度A=22mm，有效磁路長度L=3.96cm，磁通密度B=120mT，磁芯有效電感AL=2.4μH/匝2，磁芯有效橫截面積SJ=0.41cm2，50kHz。

高頻變壓器一次繞組的電感量的公式為：

其中：

Umin為直流最小輸入電壓，一般取220V。

Dmax為脈沖信號最大占空比。計算公式為：

因此，將η=80%，f=50kHz 帶入式（2），得到：

設滿載時的峰值電流IP，有

設短路保護過程中的過載電流為IS，

一次繞組上存儲的電能為：

初級繞組匝數可以通過下式計算：

將W=1.51（mJ），B=250mT，SJ=0.41cm2帶入公式中，得到N1≈25.7，實際取30 匝。

多輸出高頻變壓器中，其各輸出繞組的匝數可以選取相等的每伏匝數。每伏匝數的公式為：

UF——輸出整流二極管的正向壓降；

Uo——繞組N2（或N3）兩端的電壓。

N 的單位是匝/V，將NS取5 匝，二次繞組回路中選用肖特基二極管D80-004，若此處取Uo=5V，UF=0.4V。代入公式式1.7 得N=0.925匝／V 。

對15V 輸出，已知Uo=15V，UF=0.4V，代入公式（7）得NS2=0.925×（15V+0.4V）=14.245l／V，實際取15 匝。

對于5V 輸出，已知Uo=5V，UF=0.4V，帶入公式（1.7）得NS2=0.925l／V×（5V+0.4V）=4.995l／V，實際取5 匝。

2 基于TOP234Y 整體電路設計

TOPSwitch-FX 系列是美國PI 公司推出的第三代開關電源集成電路。它的輸出功率一般為75W 左右，符合本設計的小功率要求。而且芯片還具有電流限流電路，過熱保護，增壓保護欠壓檢測電路[5]。整個電路原理如圖2 所示。

交流電源經全橋整流濾波后變成直流，R1 與R2 組成的電壓檢測電路用于欠壓和過壓保護。T1 為反激式高頻變壓器；D3 用于高頻整流；L3，C10，C11 為輸出整流濾波器；反饋回路由穩壓器TL431 和光電耦合器PC817A 組成，通過反饋作用使輸出電壓動態穩定；C5，R3，FR106 構成漏極鉗位電路，用于保護控制器內部的集成MOSFET[6]。

圖2 單端反激式多輸出開關電源原理圖

上電時，TOP234Y 開始工作，當達到啟動電壓閾值時，內部MOSFET 開始斬波；通過高頻變壓器的快速電能變換，迅速將能量傳遞到二次側，建立輸出電壓；當輸出電壓達到設計值時，反饋回路發生作用，通過調節開關周期來維持輸出電壓的恒定。

3 仿真分析

本文利用Saber 軟件對電路原理圖進行仿真。

3.1 變壓器一次側波形分析

本仿真建模的變壓器模型，其一次側的電感量可由下式決定：

由第二節式1.3 得到變壓器一次繞組的電感量L1=2.28（mH），由式7 得初級繞組的匝數N1=25.7 匝，二次側電感量理論值如下：

二次側5V 輸出電感量理想值為

二次側15V 輸出電感量理想值為

圖3 變壓器一次側電壓電流波形（不放大）

考慮計算誤差與實際情況，電路仿真建模時選用的輸出電感值分別為90μH 和780μH。仿真后得到變壓器的一次側電壓電流波形如圖3：

將該波形圖放大后得到圖4，通過波形可以看出，變壓器一次側電壓電流波形基本滿足條件。

圖4 變壓器一次側電壓電流波形（放大）

3.2 總輸出電壓波形模型

對整體電路原理圖進行仿真，得到總輸出電流電壓波形如圖5 所示。

圖5 最終兩路輸出電壓波形

第一部分變壓器設計中，設置兩路輸出分別為5V 和15V。仿真輸出模型中可見兩路輸出值分別為5.2569V 和15.072V，并且輸出穩定。考慮到實際誤差，最終輸出基本貼近理論值。

4 總結

本文在給出開關電源一般工作原理的同時，對小功率開關電源設計的關鍵部分進行了研究，包括電路拓撲結構、EMI 濾波器、高頻變壓器參數計算與設計。然后選擇基于TOP234Y 芯片進行了小功率多路輸出的開關電源整體電路設計，并給出了仿真結果，結果參數表明所進行的電路設計結構合理，達到了期望指標。