一種輸出電壓線性可調(diào)的新型反激開關(guān)電源設(shè)計(jì)

焦建磊 楊小輝

摘 要：本文設(shè)計(jì)一種基于NCP1377的準(zhǔn)諧振式可調(diào)反激開關(guān)電源設(shè)計(jì)，該電源不需要額外的電源給電源芯片供電，因?yàn)樵谧儔浩髟O(shè)計(jì)中對繞組相位做了特殊處理，保證了電源芯片在輸出低電壓時(shí)可以正常工作，另外，通過設(shè)計(jì)一種特殊的PWM-V電路和輸出電壓形成雙路負(fù)反饋，以此來實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的線性控制，PWM-V電路的輸出電壓可以通過MCU的輸出PWM來控制。該電源具有設(shè)計(jì)簡單，成本造價(jià)低廉，易于控制等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：NCP1377；準(zhǔn)諧振；反激電源；線性控制

中圖分類號：TM433 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

近年來，電源技術(shù)蓬勃發(fā)展，單端反激電源由于體積小、電路簡單、變壓器原副邊電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)在可調(diào)電源得到廣泛的應(yīng)用，[1]但多數(shù)低端的電源輸出電壓可調(diào)范圍小，高端的電源成本又較高，很難找到一款性價(jià)比高，電壓可調(diào)范圍寬的電源，本文就目前可調(diào)式開關(guān)電源領(lǐng)域存在的問題，提出了 一種創(chuàng)新性的解決方案，設(shè)計(jì)了一款輸出電壓寬范圍可調(diào)的新型反激電源。

1 電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用反激式電源拓?fù)洌娫葱酒褂冒采赖腘CP1377，這款芯片最大的優(yōu)勢就在于臨界模式的電流控制及MOS關(guān)斷末段的去磁檢測功能，這保證了使用該芯片設(shè)計(jì)的電源效率較高。

電源電路如圖1中所示，電源上電后，直流母線通過高壓充電電阻R8給電源芯片供電，當(dāng)電容C3上的電壓超過12.5V時(shí)，芯片內(nèi)部開始工作，同時(shí)將芯片的供電切換到6腳，通過變壓器的輔助繞組來供電。芯片的1腳DEG用來檢測開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的震蕩波形，當(dāng)檢測到震蕩波谷時(shí)，開關(guān)管開通；當(dāng)采樣電流信號高于內(nèi)部基準(zhǔn)值時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷。反饋網(wǎng)絡(luò)由PC817和TL431及周邊電阻網(wǎng)絡(luò)組成，芯片的2腳用來采樣負(fù)反饋信號。

如圖1中所示的PWM-V電路，它的功能是將MCU輸出的PWM轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬電壓輸出，PWM占空比的大小決定了運(yùn)放同相端輸出電壓的大小，也決定了運(yùn)放輸出電壓U1的大小。Q1的作用相當(dāng)于是對VCC做斬波，為了保證同相端電壓的穩(wěn)定，C9要選一個(gè)較大的電解電容，C10可以選一個(gè)小容量陶瓷電容。

負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)由PC817、TL431及周邊的阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，MCU通過控制U1電壓來調(diào)整U0的電壓，TL431的基準(zhǔn)電壓為2495V，當(dāng)由R10、R11和R12組成的分壓網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致基準(zhǔn)點(diǎn)電壓高于2.495V時(shí)，TL431導(dǎo)通性增強(qiáng)，PC817原邊的電流增大，即反饋信號增大，電源芯片通過調(diào)整輸出PWM占空比來調(diào)整輸出電壓U0，由此實(shí)現(xiàn)一個(gè)負(fù)反饋過程。

由于該電源是采用峰值電流檢測模式，開環(huán)傳遞函數(shù)中只有輸出電容和負(fù)載構(gòu)成的極點(diǎn)及輸出濾波電容寄生阻抗導(dǎo)致的零點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中用R9、C8、C9和TL431構(gòu)成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來做補(bǔ)償，R9和C8用來補(bǔ)償輸出極點(diǎn)，R9和C9用來補(bǔ)償輸出零點(diǎn)。

2 變壓器設(shè)計(jì)

變壓器的設(shè)計(jì)對于一個(gè)電源起著至關(guān)重要的作用，變壓器設(shè)計(jì)得當(dāng)，電源才能安全穩(wěn)定運(yùn)行。[2]在變壓器設(shè)計(jì)之前首先要根據(jù)相關(guān)系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)定一些參數(shù)值，如紋波系數(shù)，損耗分配因數(shù)等，在設(shè)計(jì)結(jié)果出來之后，可以用相關(guān)的公式來驗(yàn)證前面的設(shè)定是否合適，常用來做驗(yàn)證的參數(shù)有：窗口面積、電流密度、磁通密度、磁芯氣隙等。

本文所設(shè)計(jì)的變壓器與常規(guī)的反激式變壓器的不同在于，它的輔助繞組和輸出繞組的同名端不在同一側(cè)，如圖1所示，繞組Nps和主繞組N1同相位，和Ns1、Ns2相位相反，這樣對于Ns1和Ns2來說，開關(guān)管G1開通時(shí)，原邊向副邊傳輸能量，開關(guān)管G1關(guān)斷時(shí)，原邊停止向副邊傳輸能量。而對于Nps繞組來說，工作狀態(tài)正好相反。這也就使得Nps繞組的電壓只和輸入電壓有關(guān)，而和輸出電壓無關(guān)，在輸出電壓降低時(shí)，Nps繞組的電壓并不會變化。

3 仿真驗(yàn)證

以saber作為仿真平臺，對PWM-V電路做仿真分析，使用脈沖發(fā)生器作為PWM信號源，設(shè)置5K的脈沖頻率，通過改變PWM脈沖寬度來改變運(yùn)放輸出電壓，以20uS為一個(gè)步長，圖2是運(yùn)放輸出U1的波形，從圖中可以看出，在脈沖寬度小于60uS或者大于180uS時(shí)，脈沖寬度的變化幾乎不影響輸出電壓，所以在軟件設(shè)計(jì)中，只需要設(shè)置60-180uS脈沖寬度的PWM即可。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款低成本輸出電壓寬范圍可調(diào)的反激式開關(guān)電源，對電源中的各個(gè)子模塊進(jìn)行了探索性研究，驗(yàn)證了電源方案的可行性，該方案為可調(diào)電源市場提供了一些新的思路，對于常用的需要調(diào)壓的家用電器，比如，風(fēng)扇、半導(dǎo)體制冷冰箱、照明等應(yīng)用場合，本文所設(shè)計(jì)這款電源將會非常合適。

參考文獻(xiàn)：

[1]高濱，陳坤鵬，夏東偉，徐紀(jì)太.一種應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的反激輔助電源設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào)，2015，13（4）：120-123.

[2]劉寧，王友歡，夏東偉.超寬輸入范圍反激輔助電源設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào)，2014，12（5）：92-96.