多路輸出反激式開關電源的設計

練新平

摘要：多路輸出反激式開關電源主要是以UC3844作為控制核心，詳細設計了緩沖吸收、EMI濾波、啟動與驅動、高頻變壓器等多種具體模塊電路，并對開關電源電路參數進行優化設計，驗證設計樣機的合理性。

關鍵詞：多路輸出;反激式開關電源;技術參數;變壓器

中圖分類號：TN86

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j.cnki.kj ycx.2019.08.058

1 系統設計

l.l 電源設計

此次設計的開關電源技術參數如下：輸入電壓220V，輸出電壓+5 V/2A;+24 V/lA;±15 V/0.5A;12 V/0.2A;紋波小于l%;輸出功率為52W。該開關電源應用在電機控制中。12V輸出繞組為芯片UC3844供電，15V為IGBT逆變器供電，24V為繼電器供電;5V繞組為輸出繞組，不僅能夠穩壓，還能夠作為電機控制所應用的數字5V電源。其中Tl為高頻變壓器，該電路輸入為220V交流，在整橋整流濾波之后，在變壓器輸入端達到300 V直流電壓。經過芯片PWM脈寬控制穩壓之后，能夠得到5路輸出。

1.2 變壓器設計

在設計開關電源時需要注重變壓器設計，電源性能會直接影響變壓器設計合理性。

變壓器輸出功率和輸入功率估算方面，按照輸出電壓和輸出電流設計大小對總輸出功率進行計算，公式如下：

通常情況下，KRP數值為0.4，如果交流輸入電壓為230 V，則數值選取為0.6.單片反激開關電源在CCM模式下連續運行。充分考慮器件資料，則開關電源設計KRP數值選擇為0.7.

確定變壓器磁芯尺寸。相比于成品電感來說，磁性元件電感在設計期間需要增加氣隙從而加強磁芯儲存能量的能力，如果不存在氣隙，磁芯在存儲少量能量之后就會出現飽和。在增加氣體比較大，則會相應加多匝數，從而加大繞組銅耗。其次，增加匝數會相應加大繞組占用窗口的面積。因此在實際設計期間需要考慮多種因素，利用下式進行計算：

在變壓器設計期間要考慮體積和銅耗問題，因此可以將上式r值設置在0.5，代入公式中可得，磁芯尺寸在7.109 m3。

1.3 選擇控制芯片

PWM控制芯片是開關電源的控制核心，此種芯片選擇型式比較多，不同型式所對應的工作溫度范圍也不同，此次設計主要選用UC384x系列。由于單端反激結構存在變壓器繞組反電動勢，因此，在關斷時開關管承受電壓為：式（l）中：q為占空比。

1.4 控制芯片驅動電路及計算定時電阻電容

1.4.1 驅動電路

驅動電路電壓為16V，在開啟電源之后，經整流濾波的交流電能夠獲得直流電，利用電阻降壓后能夠為其提供電能，當電壓滿足16V之后，啟動芯片會產生波形驅動信號，與柵極阻尼電阻進行串聯。在進入正常運行狀態之后，電源變壓器副邊繞組所產生的交流電經過整流濾處理之后能夠為芯片提供電源。因此，在設計期間需要處理好芯片供電問題，對于此次所使用的芯片來說，其供電電路為：輸入電壓經整流處理之后會通過大阻值電阻向芯片供應電源，電源運行之后會由饋電繞組接替向芯片供電任務。在此期間為了確保芯片運行穩定，需要選擇阻值適宜的電阻向芯片提供電源，芯片運行電壓在13V左右，為了使其正常運行，則需要確保供電電壓數值超過16V。芯片待機電流為0.5 mA，工作電流為10 mA，最大電壓為36V。

1.4.2 計算定時電阻和電容

定時電阻電容會直接決定芯片輸出功率，然而在開始計算時需要詳細了解芯片電壓基準。芯片內部電壓基準為5V，此電壓基準被當作電路供電來源，還能夠為電壓反饋電路提供電源，并且對初期芯片運行狀態進行調試。在芯片數據中詳細說明了定時部分電壓情況，其通過定時電阻向定時電容放電，在充電至2.8 V之后會觸發電流源，并且對電容放電，直至1.2 V停止放電，此時電容再次充電。在充放電過程中明確芯片振蕩頻率。在此次應用的芯片中，振蕩頻率就屬于輸出開關頻率。此外，定時電阻和電容不僅會對芯片輸出開關頻率造成影響，還會對芯片輸出波形占空比造成影響。定時電路電阻比較大且電容比較小時，充電過程比較長，放電過程比較短，此時就會加大輸出波形占空比。如果右側定時電路電阻較小且電容比較大時，放電過程會占據振蕩周期很長一段時間，此時輸出波形占空比就會控制在有限范圍內。

1.5 選擇與設計EMI濾波電路

開關電源在運行期間會受到干擾，并且電源會通過耦合通道影響開關電源、電網和其他設備。將EMI濾波器應用到電源輸入端上能夠對差模干擾和共模干擾起到消除作用。EMI濾波電路降低干擾的方案主要包括以下幾點：①應用Y電容和Ⅱ型濾波器方案中處理;②應用Y電容、X電容和共模電感所組成的濾波器。

圖1中的（a）與（b）屬于結構簡單的濾波器，L為共模電感，兩圖最大區別在于濾除差模干擾電容位置不同。圖1 （c）中的CI和C2主要是對差模干擾起到濾除效果，L、C3和C4為濾除共模干擾。在產生共模干擾影響時，共模電感中線圈磁通方向一致，在經過耦合之后會增加總電感量，并且對共模信號表現出比較強的感抗，對共模信號干擾影響起到抑制作用。圖1中R為泄放電阻，可以釋放C3所積累的電荷，以免由于電荷累積對濾波特性造成影響。在斷電之后會導致電源出入端間不帶電，確保操作安全性。此次設計選擇的濾波器內部包含濾波電容和共模電感，這樣能夠有效消除差模干擾和共模干擾。

2系統測試

空載條件下輸出波形圖中5V輸出為4.60V，15V輸出為15.3 V，輸出電壓比較穩定，且具有較高的電壓準確度，因此表明電路模塊取值滿足相關標準。

3 結束語

綜上所述，在多路輸出反激式開關電源的設計期間，首先需要明確設計方案和各元器件參數，之后制作硬件，在制作期間需要詳細檢查每項步驟的安全性和正確性，完成制作之后需要聯合電路圖對元器件極性和型號進行核對，并且檢查硬件電路連接與電路圖的一致性，這樣才能夠確保多路輸出反激式開關電源的設計效果。

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