多路輸出反激式開關電源設計

袁方方

摘 要：文章根據開關電源的具體要求，在闡述基于TOP-Switch系列芯片的單端反激式開關電源原理的基礎上，詳細介紹了一種用于軌道車輛電動塞拉門控制系統的小功率多路輸出DC/DC開關電源的設計方法。該電路主電路采用反激式電路，應用反饋手段和脈沖調制技術實現多路輸出的穩壓電源，最后，進行了總體設計，在軌道車輛電動門控制系統中有很好的應用前景。

關鍵詞：開關電源；反激式電路；高頻變壓器

引言

開關電源是綜合現代電力電子、自動控制、電力變換等技術，通過控制開關管開通和關斷的時間比率，來獲得穩定輸出電壓的一種電源，因其具有體積小、重量輕、效率高、發熱量低、性能穩定等優點，在現代電力電子設備中得到廣泛應用，代表著當今穩壓電源的發展方向，已成為穩壓電源的主導產品。文章設計了一種基于TOP-Switch系列芯片的小功率多路輸出DC/DC的反激式開關電源。

1 電源設計要求

文章設計的開關電源將用于軌道車輛電動門控制系統中，最大的功率為12W，分四路輸出，具體設計參數如下：（1）輸入電壓Vin=110V；（2）開關頻率fs=132kHz；（3）效率η=80%；（4）輸出電壓/電流 48V/0.2A，15V/0.02A-15V/0.02A，5V/0.3A；（5）輸出功率12W；（6）電壓精度1%；（7）紋波率1%。（8）負載調整率±3%，電源最小輸入電壓為Vimin=77V，最大輸入電壓為Vimax=138V。考慮到設計要滿足結構簡單，可靠性高，經濟性及電磁兼容性等要求，結合本設計輸出功率小的特點，最終選用了單端反激式開關電源，它具有結構簡單，所需元器件少，可靠性高，驅動電路簡單的特點，適合多路輸出場合。

2 單端反激式開關電源的基本原理

單端反激式開關電源由功率MOS管，高頻變壓器，無源鉗位RCD電路及輸出整流電路組成。其工作原理是當開關管Q被PWM脈沖激勵而導通時，輸入電壓就加在高頻變壓器的初級繞組N1上，由于變壓器次級整流二極管D1反接，次級繞組N2沒有電流流過；當開關管關斷時，次級繞組上的電壓極性是上正下負，整流二極管正偏導通，開關管導通期間儲存在變壓器中的能量便通過整流二極管向輸出負載釋放。反激變壓器在開關管導通期間只存能量，在截止期間才向負載傳遞能量，因為能量是單方向傳導，所以稱為單端變化器[1]。

圖1 單端反激式開關電源的原理圖

3 TOP-Switch系列芯片的介紹及選型

TOP-Swtich單片開關電源是開關電源專用集成電路，它將脈寬調制電路與高壓MOSFET開關管及驅動電路等集成在一起，具備完善的保護功能。使用該芯片設計的小功率開關電源，可大大減少外圍電路，降低成本，提高可靠性[4]。

對于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率，由設計要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入，輸出功率不大于12W，故選擇TOP264VG。

4 電路設計

本設計開關電源的總體設計方案如圖2所示。

4.1 主電路設計

4.1.1 變壓器設計

變壓器的設計是整個電源設計最重要的部分，它的設計好壞直接影響到整個電源性能。

（1）磁芯和骨架的確定

由參考文獻[1]可查出，當P0=12W時可供選擇的鐵氧體磁芯型號，由于采用包線繞制，而且EE型鐵芯廉價，磁損耗小且適用性強，故選擇EEL19。從廠家提供的磁芯產品手冊中可以查到磁芯有效截面積Ae=0.23cm2，磁路有效長度Le=3.94cm2，磁芯等效電感AL=1250Nh/T2

（2）確定最大占空比

（式中VOR為初級感應電壓，VDS為開關管漏源導通電壓，其中VOR=135V，VDS=10V）

（3）初級波形參數計算

初級波形的參數主要包括輸入電流平均值IAGV、初級峰值電流IP

輸入電流平均值

初級峰值電流

（其中KRP為初級紋波電流IR與初級峰值電流IP的比值，當反激式開關電源工作在不連續狀態時取KRP=1）

（4）確定初級繞組電感

（5）計算各繞組的匝數

初級繞組的匝數 實取33匝

次級為5v輸出的繞組定義為NS=4turn

對于±15V輸出 實取12匝

對于48V輸出 實取36匝

對于偏置繞組 實取10匝

4.1.2 無源鉗位電路的設計

反激式開關電源，每當功率MOSFET由導通變為截止時，在開關電源的一次繞組上就會產生尖峰電壓和感應電壓，和直流高壓一起疊加在MOSFET上，漏極電壓

這就要求功率MOSFET至少能承受450V的高壓，并且要求鉗位電路吸收尖峰電壓來保護功率MOSFET。本電源的鉗位電路由穩壓管和二極管D1組成，其中VR1為瞬態電壓抑制器P6KE200，D1為快恢復二極管IN4936，當MOSFET導通時，原邊繞組電壓上正下負，使D1截止，鉗位電路不起作用；當MOSFET截止瞬間，原邊繞組電壓上負下正，使得D1導通，電壓被鉗位在200V左右。

4.1.3 輸出環節的設計

以+5V輸出為例，次級繞組高頻電壓經肖特基二極管SB120整流后，用超低的ESR濾波，為了得到獲得更小的紋波電壓，在設計時又加入了次級LC濾波器，實驗表明，輸出的電壓更符合期望值。

4.2 反饋環節的設計

反饋回路主要由PC817和TL431組成，這里用的TL431型可調式精密并聯穩壓器來代替普通的穩壓管，構成外部誤差放大器，進而對輸出電壓作精密調整，當輸出電壓發生波動時，經過電阻R13、R14分壓后得到取樣電壓與TL431中的2.5V的基準電壓進行比較，在陰極K上形成誤差電壓，使光耦合器中的LED工作電流產生相應變化，再通過光耦合器去改變單片開關電源的控制端電流，進而調節輸出占空比，使輸出電壓維持不變，達到穩壓目的。

5 結束語

文章設計的開關電源具有結構簡單，所需元器件少，體積小，成本低的特點，并且滿足所有設計要求，在軌道車輛電動門控制系統中有很好的應用前景。

參考文獻

[1]楊立杰.多路輸出單端反激式開關電源的設計[J].現代電子技術，2007.

[2]沙占友.開關電源實用技術[M].北京：中國電力出版社，2011.

[3]王云亮.電力電子技術[M].北京：電子工業出版社，2004.

[4]沙占友.單片開關電源最新應用技術[M].北京：機械工業出版社，2002.