基于Mathcad的反激式開關(guān)電源設(shè)計

陳定武，張博超

（珠海格力電器股份有限公司,廣東珠海,519070）

基于Mathcad的反激式開關(guān)電源設(shè)計

陳定武，張博超

（珠海格力電器股份有限公司,廣東珠海,519070）

反激式開關(guān)電源具有體積小、成本低、運行可靠，高效提供多路直流輸出，輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動時,仍可有較穩(wěn)定的輸出。本文基于Mathcad計算軟件設(shè)計一款輸出（15V/0.7A）的單端反激式開關(guān)電源。

Mathcad；反激式；開關(guān)電源；高頻變壓器

0 引言

小功率開關(guān)電源是家用電器產(chǎn)品中重要的部分。隨著開關(guān)電源芯片和功率開關(guān)MOS管技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源設(shè)計趨于小型化、高頻化,對比早期線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源，單端反激式開關(guān)電源有著輸出紋波小、重量輕、效率高、輸出電壓范圍寬等優(yōu)點。使用Mathcad計算工具進行設(shè)計一種離線反激式電源是簡單而高效的方法。

1 單端反激式開關(guān)電源基本工作原理

在反激式開關(guān)電源拓撲中，開關(guān)芯片內(nèi)部MOS管導(dǎo)通時，變壓器初級繞組開始儲存能量，負載電流全部由輸出濾波電容提供，當(dāng)開關(guān)芯片內(nèi)部MOS管關(guān)斷時，變壓器初級將儲存的能量傳送到負載和輸出濾波電容，補償輸出電容單獨提供負載電流時消耗的能量。

單端反激式開關(guān)電源有兩種工作方式：(1)斷續(xù)電流模式(DCM)：斷續(xù)電流模式工作初級電流前端沒有階梯，在關(guān)斷瞬間次級電流是衰減的三角波，在下一個周期開始之前衰減到零，下個周期開始之前開關(guān)管導(dǎo)通期間儲存于初級的能量已完全傳遞到次級負載；(2)連續(xù)電流模式(CCM)：連續(xù)電流模式工作初級電流有前沿階梯且沿斜坡上升，在開關(guān)管關(guān)斷期間，次級電流為階梯上疊加衰減的三角波，開關(guān)管再次導(dǎo)通時，次級仍然維持有電流。

2 Mathcad軟件介紹和功能特點

Mathcad是美國PTC公司旗下的一套可讓使用者求解、分析和共用最重要的工程計算的數(shù)學(xué)軟件，作為工程計算的全球標準，與專有的計算工具和電子表格不同，Mathcad 允許設(shè)計者利用詳盡的應(yīng)用數(shù)學(xué)函數(shù)和動態(tài)、可感知單位的計算來同時設(shè)計和記錄工程計算。獨特的可視化格式和便箋式界面將直觀、標準的數(shù)學(xué)符號、文本和圖形均集成到一個工作表中。 Mathcad使用類似于在黑板上寫公式的方法讓使用者描述待求解的問題，并實時將計算結(jié)果顯示在屏幕上，使設(shè)計者專注于對問題的思索免去繁瑣的求解步驟。

3 Mathcad設(shè)計實例

本實例使用Mathcad設(shè)計一款輸出（15V/0.7A）的單端反激式開關(guān)電源，工作電壓范圍是85V-265V。采用ST公司開關(guān)電源芯片VIPER26，高頻變壓器選擇EE20磁芯，具有輸出過載和短路保護功能。通過Mathcad計算，清楚知道各環(huán)節(jié)實際數(shù)據(jù)，并可隨時修改輸入?yún)?shù)，輸出參數(shù)自動隨著改變，根據(jù)掌握的電源理論知識一步步計算出所需電路關(guān)鍵參數(shù)，達到預(yù)期的設(shè)計目標。

3.1 開關(guān)電源電路參數(shù)設(shè)置

Vacmin=85V,Vacmax=265V,Vdcmax=Vacmax=374.767V，F(xiàn)=50Hz,輸出電壓Vo=15V,輸出電流Io=0.7A,開關(guān)芯片頻率fs=60kHz,輸出功率Po= Vo×Io=10.5W,工作效率η=75%,輸入功率Pin=14W。

3.2 計算初/次級匝數(shù)比

開關(guān)電源芯片VIPER26開關(guān)管耐壓Vmos:=800V,次級輸出二極管反向耐壓Vd=100V,正向壓降Vf:=0.5V，變壓器設(shè)計涉及規(guī)則較多，匝數(shù)比確定了不考慮漏感尖峰時開關(guān)芯片MOS管應(yīng)承受的最大關(guān)斷電壓應(yīng)力，選擇的匝數(shù)比應(yīng)盡可能使開關(guān)管Vmos小。

3.3 計算最低輸入電壓和最大工作占空比

輸入電容按照2-3uF/W選擇，Cin:=22uF,初始化時間Tc:=3ms。

輸入電壓Vinminc:=

3.4 計算初級臨界電流均值和峰值

按照最小輸入電壓，最大輸出功率(Pomax)的條件計算，變壓器初級臨界電流均值Iin_avg,峰值Ipk1。

3.5 開關(guān)電源高頻變壓器各參數(shù)計算

變壓器磁芯面積Ko：=0.4，Kc:=1，Bsat:=0.93T，

磁芯材料選用PC40，磁芯類型選擇EF20：Ae:=0.335cm2,Ve：=1.5cm3,Aw:=0.6048cm2

AP:=Ae·Aw=0.203cm4；0.203cm4＞0.042cm4

變壓器初級匝數(shù)Np、次級匝數(shù)Ns、輔助繞組Nvcc及氣隙長度Lg

副邊電流直流分量：Isdc:=1A

4 試驗結(jié)果及分析

當(dāng)輸入電壓為220V時，在額定負載情況下，測試兩路輸出電壓波形，電壓波動非常小。15V的紋波小于±90mV左右，符合設(shè)計要求。當(dāng)輸入電壓在85V到265V調(diào)整變化時，測試輸出電壓的幅值和紋波均在允許范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)開關(guān)電源重啟復(fù)位現(xiàn)象，再對電源的保護功能測試，使電源的輸出過載或短路時，開關(guān)電源自動出現(xiàn)復(fù)位重啟保護，輸出負載正常時開關(guān)電源恢復(fù)正常工作。

5 結(jié)語

本文基于Mathcad軟件設(shè)計的單端反激式開關(guān)電源具有良好的工作效率和高可靠性。該電源拓撲結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的線性調(diào)整率和快速的輸入輸出動態(tài)響應(yīng)，大幅縮短設(shè)計時間，從而進一步提高電源設(shè)計團隊的工作效率。

[1]王志強等譯.開關(guān)電源設(shè)計（第二版）[M].電子工業(yè)出版社，2005,9.

[2]王正仕，張軍明譯.實用開關(guān)電源設(shè)計[M].人民郵電出版社，2006,4.

Design of flyback switching power supply based on Mathcad

Chen Dingwu,Zhang Bochao
(Zhuhai GREE electric appliance, Limited by Share Ltd,Zhuhai Guangdong,519070)

The flyback switching power supply has the advantages of small size, low cost, reliable operation, high efficiency and multi channel DC output. When the input voltage fluctuates in a large range, the output can still be stable. In this paper, a single ended flyback switching power supply based on Mathcad software is designed and analyzed.

Mathcad;flyback;switching power supply;high frequency transformer