基于LM25183的反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

彭建偉，王少杰，徐 劍

（邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng) 422000）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，反激式開(kāi)關(guān)電源由于效率高、功耗小、高隔離、體積小等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品、電子通信與航空領(lǐng)域，作為其控制系統(tǒng)中的輔助電源[1]。在電力電子設(shè)備追求高密度，高功率的背景下，為了進(jìn)一步減小體積，輔助電源往往由變頻器的直流環(huán)節(jié)供電。與傳統(tǒng)的輸入電壓為市電的開(kāi)關(guān)電源相比，這種供電方式使電源開(kāi)關(guān)器件在關(guān)斷時(shí)刻承受更高的電壓應(yīng)力。除了選擇具有適當(dāng)耐受電壓的開(kāi)關(guān)管外，還需要設(shè)計(jì)箝位電路以有效吸收漏感能量。參考文獻(xiàn)[2]對(duì)液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）箝位電路，TVS箝位電路、剩余電流裝置（Residual Current Device，RCD）箝位電路進(jìn)行了比較，指出RCD箝位電路因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率效率高而被廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]為了解決準(zhǔn)諧振控制帶來(lái)的開(kāi)關(guān)頻率變化范圍大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種多模式控制方法，使準(zhǔn)諧振模式下的開(kāi)關(guān)頻率非常低，系統(tǒng)將工作在連續(xù)電流模式下，從而在低輸入電壓和高負(fù)載條件下提高功率效率。

1 開(kāi)關(guān)電源芯片LM25183

LM25183是一款初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)(PSR)反激式轉(zhuǎn)換器，具有高效率，對(duì)隔離輸出進(jìn)行電壓采樣，固定頻率脈寬可調(diào)的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation,PWM）控制芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。該芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)。

圖1 LM25183芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（1）金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）在邊界導(dǎo)通模式（Boundary Conduction Mode，BCM）模式下能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)諧振關(guān)斷，因此可以實(shí)現(xiàn)低電流甚至零電流關(guān)閉[5]。

（2）具有單輸出和多輸出的功能。

（3）內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償。

（4）超低的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）傳導(dǎo)。

2 反激式開(kāi)關(guān)電源工作原理

反激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，直流輸入電壓由Ui輸入，經(jīng)過(guò)輸入保護(hù)電路和EMI濾波電路，全橋整流，再次濾波，使輸出變得平滑，通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管以及高頻變壓器，之后輸出整流濾波；功率管以及高頻變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，Np、Ns為變壓器初級(jí)、次級(jí)繞組匝數(shù)，初級(jí)繞組加到開(kāi)關(guān)管的漏極，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)繞組是上正下負(fù)，次級(jí)繞組是上負(fù)下正，二極管截止，此時(shí)沒(méi)有輸出。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，此時(shí)初級(jí)繞組是上負(fù)下正，次級(jí)繞組是上正下負(fù)，二極管導(dǎo)通，線圈開(kāi)始放能，此時(shí)輸出電壓，變壓器在儲(chǔ)能放能過(guò)程中，線圈遵守伏秒平衡守則。

圖2 反激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 功率管以及高頻變壓器工作原理

3 確定系統(tǒng)要求與電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)指標(biāo)如下：輸出電壓為15 V輸出，輸入電壓為4～42 V的寬輸入電壓范圍，典型輸入電壓為Uin為24 V，輸出功率Po為8 W，工作頻率Fs為300 kHz，最大磁通密度Bmax為0.20 T，工作效率η為85%。

3.1 變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求，可以知道輸入電壓為Uin=4.5 V，Umax=42 V，輸出功率為8 W，輸出電壓為+15 V，計(jì)算輸出電流為

輸入功率為

低壓滿載時(shí)原邊峰值電流為

占空比為

勵(lì)磁電感量為

利用AP法進(jìn)行磁芯選擇，即：

暫磁芯為EE25磁芯，其磁芯參數(shù)如表1所示。

表1 EE25磁芯參數(shù)

實(shí)際磁芯AP值為

原邊繞組匝數(shù)為

副邊繞組匝數(shù)為

3.2 RCD箝位保護(hù)電路

當(dāng)MOS管開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，由于漏感的影響，高頻變壓器的一次繞組會(huì)產(chǎn)生反射電壓和峰值電壓，直接施加到MOS管的漏極上，未加保護(hù)，開(kāi)關(guān)管上的寄生電容很小，很容易擊穿。因此，在初級(jí)繞組與開(kāi)關(guān)管之間加RCD箝位電路，如圖4所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，形成的峰值脈沖能量先將開(kāi)關(guān)管的寄生電容充滿，隨后通過(guò)D1，對(duì)C1進(jìn)行充電，直到C1兩端電壓大于開(kāi)關(guān)管兩端電壓充電結(jié)束，電容C1通過(guò)對(duì)R1進(jìn)行放電，存儲(chǔ)的能量通過(guò)電阻消耗，電阻起到緩沖接收電壓峰值的作用，進(jìn)而保護(hù)開(kāi)關(guān)管。對(duì)于D1耐壓值的選型，選擇理論耐壓值為80 V，在實(shí)際測(cè)試中耐壓值為32.8 V，如圖5所示，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 RCD鉗位電路

圖5 二極管尖峰電壓

3.3 采樣電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的反激式開(kāi)關(guān)電源采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，它們是內(nèi)環(huán)的電流反饋環(huán)和外環(huán)的電流反饋回路。內(nèi)環(huán)的電流反饋回路由外部電壓控制，它由控制回路控制，最終輸出為電壓值。首先要考慮內(nèi)部的電流環(huán)。

常用的電流檢測(cè)有外接電阻檢測(cè)法，霍爾傳感器檢測(cè)法、電流互感器檢測(cè)法。霍爾傳感器檢測(cè)法與電流互感器檢測(cè)法由于體積大、誤差大、功率損耗較大，不適合用于本次設(shè)計(jì)的反激式開(kāi)關(guān)電源，因此采用外接電阻檢測(cè)法較為妥當(dāng)。

LM25183芯片內(nèi)部具有精密電壓調(diào)節(jié)器，對(duì)基準(zhǔn)電壓具有可調(diào)節(jié)性。內(nèi)部具有2.5 V的基準(zhǔn)電壓，可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，在2.5～36 V調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓。

4 驗(yàn)證結(jié)果分析

利用Simplis仿真軟件搭建了仿真模型，對(duì)所敘述的拓?fù)湓砑皡?shù)進(jìn)行防真，對(duì)印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）進(jìn)行實(shí)物測(cè)試。

效率測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 效率測(cè)試結(jié)果

輸出波形如圖6所示。

圖6 輸出波形

5 結(jié) 論

本文提出反激式開(kāi)關(guān)電源DC-DC的電源方案，由LM25184芯片驅(qū)動(dòng)MOS管，采用AP法進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)，利用準(zhǔn)諧振技術(shù)，降低交叉損耗，實(shí)現(xiàn)了低電流關(guān)閉、低電壓導(dǎo)通，對(duì)開(kāi)關(guān)管采用RCD鉗位保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的功率變換電路，由4.5～32 V的直流電穩(wěn)定轉(zhuǎn)換成+15 V直流電，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真與實(shí)物測(cè)試結(jié)果分析，設(shè)計(jì)的反激式開(kāi)關(guān)電源可以穩(wěn)定的輸出+15 V電壓，輸出電壓開(kāi)機(jī)時(shí)間為17 ms。通過(guò)Simplis仿真軟件進(jìn)行仿真，通過(guò)結(jié)果可以看到，工作比較穩(wěn)定，效率滿足要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為反激式開(kāi)關(guān)電源提供有利的依據(jù)。