基于Mathcad的反激式開關電源設計

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的反激式開關電源設計

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波動時,仍可有較穩定的輸出。本文基于Mathcad計算軟件設計一款輸出（15V/0.7A）的單端反激式開關電源。

Mathcad；反激式；開關電源；高頻變壓器

0 引言

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

1 單端反激式開關電源基本工作原理

在反激式開關電源拓撲中，開關芯片內部MOS管導通時，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，當開關芯片內部MOS管關斷時，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。

單端反激式開關電源有兩種工作方式：(1)斷續電流模式(DCM)：斷續電流模式工作初級電流前端沒有階梯，在關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管導通期間儲存于初級的能量已完全傳遞到次級負載；(2)連續電流模式(CCM)：連續電流模式工作初級電流有前沿階梯且沿斜坡上升，在開關管關斷期間，次級電流為階梯上疊加衰減的三角波，開關管再次導通時，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學軟件，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 允許設計者利用詳盡的應用數學函數和動態、可感知單位的計算來同時設計和記錄工程計算。獨特的可視化格式和便箋式界面將直觀、標準的數學符號、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，并實時將計算結果顯示在屏幕上，使設計者專注于對問題的思索免去繁瑣的求解步驟。

3 Mathcad設計實例

本實例使用Mathcad設計一款輸出（15V/0.7A）的單端反激式開關電源，工作電壓范圍是85V-265V。采用ST公司開關電源芯片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，清楚知道各環節實際數據，并可隨時修改輸入參數，輸出參數自動隨著改變，根據掌握的電源理論知識一步步計算出所需電路關鍵參數，達到預期的設計目標。

3.1 開關電源電路參數設置

Vacmin=85V,Vacmax=265V,Vdcmax=Vacmax=374.767V，F=50Hz,輸出電壓Vo=15V,輸出電流Io=0.7A,開關芯片頻率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/次級匝數比

開關電源芯片VIPER26開關管耐壓Vmos:=800V,次級輸出二極管反向耐壓Vd=100V,正向壓降Vf:=0.5V，變壓器設計涉及規則較多，匝數比確定了不考慮漏感尖峰時開關芯片MOS管應承受的最大關斷電壓應力，選擇的匝數比應盡可能使開關管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 開關電源高頻變壓器各參數計算

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Np、次級匝數Ns、輔助繞組Nvcc及氣隙長度Lg

副邊電流直流分量：Isdc:=1A

4 試驗結果及分析

當輸入電壓為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，符合設計要求。當輸入電壓在85V到265V調整變化時，測試輸出電壓的幅值和紋波均在允許范圍內，沒有出現開關電源重啟復位現象，再對電源的保護功能測試，使電源的輸出過載或短路時，開關電源自動出現復位重啟保護，輸出負載正常時開關電源恢復正常工作。

5 結語

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

[1]王志強等譯.開關電源設計（第二版）[M].電子工業出版社，2005,9.

[2]王正仕，張軍明譯.實用開關電源設計[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