基于反激式微功率開關電源設計

李婉婷王文博

（1.鄭州祥和集團有限公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州華力信息技術有限公司，河南 鄭州 450000）

1 前言

開關電源的設計涉及到的知識方方面面，不僅涉及到模擬數字電路，半導體元件特性，電磁學知識，還需要考慮產品散熱，安全要求、電兼容性能等。傳統的設計需要人工來完成，其步驟繁瑣，工作量大，效率低。傳統控制電路的外圍器件多，結構繁冗，一個環節出現問題，電源就無法正常工作，產品可靠性差。

為了解決上述問題，本文特別選擇PowerIntegrations公司的一款反擊式開關電源控制芯片LNK364。該器件在一個單片IC上集成了一個700 V的功率MOSFET、新穎的開/關控制狀態機、一個自偏置的高壓開關電流源、頻率抖動、逐周期的電流限制及遲滯熱關斷電路，僅需要搭配少量阻容原件，即可和脈沖變壓器配合實現基本開關電源的所有功能。并且其內部具有一個5.8V的自穩壓電路，能夠為芯片提供電源，并且提供一個1mA的輸出，給反饋電路供電，從而省去了脈沖變壓器的一個電源次級繞組，使得電源的設計電路更加簡化。

2 整體結構設計

作為一款微功率的電源設計，首選的拓撲結構為反激式，其拓撲結構簡單，設計適應范圍廣，是一般小功率電源的首選拓撲，選用LNK364作為控制芯片。電路設計如圖1所示。

整個電路分為緩沖保護部分，EMC部分，整流濾波部分，PWM變送部分，整流輸出部分和穩壓反饋部分來進行設計。交流電源經過緩沖保護，EMC電路和整流濾波后轉化成高電平直流信號，高電平直流信號經過PWM調制和脈沖變壓器，轉化成低電壓交流脈沖信號，低電壓交流脈沖信號經過整流輸出部分轉化成所需要的直流信號，直流信號上再接穩壓反饋通過光耦將隔離后的開通/關斷信號傳輸給開關電源控制芯片，從而完成輸出端不同負載下的穩壓功能。

3 硬件設計

3.1 緩沖保護電路設計

緩沖保護電路共包括兩個原件RQ1和MOV1。其中RQ1為輔溫度系數電度，其主要用于緩沖開關電源上電瞬間電容充電電流，對電容起到一個保護作用。MOV1位壓敏電阻，用于防止雷擊等情況發生時的差模干擾，當有差模高電壓進來的時候，其與RQ1共同形成一個電阻穩壓電路將差模高電壓信號濾除。RQ1 選型為MT72-10D7，MOV1選型為14D471K。

3.2 EMC電路設計

EMC電路共有兩個元件L1、C1，它們的主要作用為提高電源的電磁兼容性能。其中L1為環形共模電感，C1位X1型安規電容，L1和C1組合成為一個低通濾波電路，從而衰減外部差/共模高頻干擾對電源性能的影響。L1選擇5.6mH/1A的環形共模電感，C1 選擇0.1uF/275V的X1行安規電容。

3.3 整流濾波電路設計

整流濾波電路主要是將交流電源轉換成直流，其由DB1、L2-3、C2-3組成。其中DB1為整流橋，根據開關電源控制芯片特性，控制芯片過流保護閾值為250mA，所以此處設計容量為1A就能滿足要求，因此整流橋額定電流等于1A，反向擊穿電壓大于400V（275V*1.414）即可，此處選型GBP08（2A、800V）。L2-3選型為1mH/1A工型電感，C2-3選型為6.8uF/450V電解電容。

3.4 PWM變送電路設計

PWM變送電路由主控芯片，脈沖變壓器和續流電路三部分組成。其中主控芯片（LNK364）內部包含一個700V的MOSFET及其控制器。內部連接到漏極的高壓電流源在啟動階段提供偏置電流，從而省去了外部啟動電路。其內部集成的振蕩器能夠給輸出MOSFET提供132kHz的輸出脈沖。

此外，IC還集成了一些功能用于系統級的保護。自動重啟動功能可以在過載、輸出短路或開環條件下限制MOSFET、變壓器及輸出二極管中的功率耗散。自動恢復遲滯熱關斷功能還可以在溫度超過安全限值時禁止MOSFET開關。芯片通過控制內部的開關管不斷的開通關斷，將上級輸出的高壓直流信號轉化成132kHz的脈沖信號。當開關管開通的時候，脈沖變壓器的初級內流動的電流增加，達到峰值Ip。當開關管關斷的時候，反激電壓使輸出二極管進入導通狀態，同時初級線圈存儲的能量為1/2LI^2傳遞到次級，提供負載電流，同時給輸出電容充電。通過電壓反饋電路可以調節初級脈沖的占空比來調節Ip的大小，從而起到穩壓輸出的作用。

這其中關鍵在于脈沖變壓器的選型，根據功率要求我們選擇EE16磁芯，材料為PC47，初級繞組為87匝，5V次級6匝，12V繞組14匝。D1為續流二極管，在這里選擇超快速二極管MUR160。R2為10K/1W，C4為102/1kV高頻瓷片電容。D1、R2和C4共同組成了一個續流緩沖電路，防止開關管關斷的時候變壓器初級產生瞬間反向高壓燒壞開關管。

3.5 整流輸出電路設計

整流輸出電路設計主要包括單向整流電路和濾波輸出電路，單向整流主要是利用二極管的單向導通能力，當一次關斷期間，次級整流二極管導通，將鐵心中存儲的磁能釋放，再經過濾波輸出電路輸出穩定直流電壓。二極管選用SF24超快速整流二極管。濾波輸出電路由L4-5、C6-9組成，L4、L5為6.8uH磁棒電感。C6-7選用470uF/16V電解電容，C8-9選用220uF/35V電解電容。

3.6 穩壓反饋電路設計

穩壓反饋電路包括一個TL431，一個反饋光耦和一些阻容組成。是一個典型的穩壓開關反饋電路，當輸出電壓達到5V的時候，U2導通，U1內的MOSFET關斷，直到下一個開關周期的到來。U2選用PC817，R7=R9=10K，R6=150R，R8=1K，C=102。

結語

設計中采用了LNK364單片開關電源控制芯片，其內部集成的全部開關電源控制及保護功能，使得開關電源的集成度進一步提高，性價比增強，外圍電路簡化，可靠性增強，使得小成本、高要求、高可靠性電源更好地選擇。

[1]Power Integrations. LNK362-364 Datasheet[Z].

[2]安森美半導體.TL431 datasheet[Z].

[3]TI開關電源基礎知識[Z].

[4]普利斯曼.開關電源設計（第三版）[M].北京：電子工業出版社，2010.