基于AIP3842 反激式開關電源的設計

崔海濤，周耿，羅一銘，王翠霞，祝龍輝

（中船重工海為鄭州高科技有限公司，河南鄭州，450000）

0 引言

隨著社會的發展，電子產品的應用逐漸廣泛，穩定可靠的電源就顯得尤為重要。依據工作方式不同大致可將電源分為開關電源和線性電源兩大類，開關電源作為一種通過多個無源、有源器件的組合進行連續開關并不斷存儲、釋放能量完成功率變換的電源電路系統，其功耗小、隔離性好、范圍寬、效率高等優點。除此之外，開關電源的重量是線性電源的1/4，相應的體積大概是線性電源的1/3[1~2]。傳統的開關電源除了功率開關管之外還包括50 個左右的分立元件，集成度較低。隨著制造技術的提升，將低壓電子器件制造成IC 技術趨于成熟，隨之開關電源應用范圍也逐漸廣泛。

1 工作原理

反激式開關電源的系統結構，如圖1 所示，首先，通過濾波電路對交流輸入信號進行處理，抑制差模和共模干擾并將交流轉換為直流信號。然后，由PWM 控制電路控制VDMOS 功率管的通斷，進而控制變壓器原邊側的通斷，以確保變壓器副邊側的電壓穩定。最后，輸出信號經過濾波整流電路剔除因功率管高頻通斷而產生的干擾信號，進而減小電壓紋波，實現AC-DC 的轉換。通過這種方式可高效地轉化出多路高質量的直流電壓。

圖1 系統框圖

2 高頻變壓器的設計

高頻變壓器作為開關電源能量傳輸、電壓變換與電氣隔離的核心器件，直接影響開關電源的技術指標，對電源的轉換效率有較大的影響，故而高頻變壓器設計在開關電源設計中具有重大意義。

■2.1 磁芯材料的選擇

高頻變壓器常采用 EE 或 EI 型磁芯，本設計中采用 EI型磁芯，其具有形狀簡單、漏感小、熱特性好等優點。

目前，應用最廣泛的磁芯元件是錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。錳鋅鐵氧體磁芯磁導率高，電阻率約在103Ω·cm，常應用在高頻工作場合。鎳鋅鐵氧體磁芯磁導率較低電阻率大約在106～1012Ω·cm，應用頻率在1MHz 以下。選用錳鋅鐵氧體磁芯材料。

■2.2 變壓器設計

設計指標： 開關電源的交流輸入范圍是：220VAC±20%，整流后直流電壓范圍： 240~380V；電壓/電流：±24V±5%@1.8A，紋波：<20mV；功率：43W；η=90%。經計算的最大占空比約為 0.367。

（1）磁芯選取

根據 AP 法選取磁芯型號[3]，選取滿足要求的最小磁芯為 EI33。

（2）初級繞組的匝數

對于反激式電壓變換器，依據磁芯參數計算變壓器繞組的匝數，通常在輸入電壓最小的情況下占空比最大。初級繞組匝數為：

其中，B為磁通密度，S為橫截面積，P為輸出功率。

（3）次級繞組的匝數

其中，D為占空比；UF為整流管的正向壓降，取0.7V；UOR為次級的最大反射電壓，在裕量為120V 的條件下，UOR=100。

3 反激式開關電源電路設計

通過 EMI 電路濾除來自電網噪聲，整流電路將交流電轉化為直流電。變壓器通過耦合為負載提供滿足需求的電能，在電能轉換的這一過程中，為了確保輸出電能的質量，引入了反饋調節機制，AiP3842 依據反饋信號調節PWM 占空比，進而控制MOS 管的通斷，達到穩定電壓的效果。電源結構圖如圖2 所示。

圖2 開關電源結構圖

■3.1 AiP3842 外圍電路設計

通過搭建AiP3842 外圍電路，通過不斷控制MOS 管的通斷，進而控制變壓器的耦合時間，確保提供穩定的電壓輸出。圖3 中，DC 為直流電壓，T1、T2 連接變壓器，dcsamp 接電壓反饋信號。

（1）芯片供電電路

電路中AiP3842 的供電分為啟動和工作兩個階段，啟動階段：由 R7、C4 組成啟動電路，上電后，直流電通過熱敏電阻R9 進行限流，經過R7 后給C4 充電至16V，工作電流為1mA，D1 防止浪涌電壓損壞元器件。在進入正常工作階段后，變壓器輸出18V 為AiP3842 供電。為確保正常啟動，C4 的容值必須夠大才行，選擇為 100uF/50V，根據公式（4）R1=308kΩ，其中，UI 為整流后的直流電壓。

AiP3842 通過輸入時鐘信號，確保PWM 信號的可靠性。AiP3842 內部有一個鋸齒波振蕩器，本設計通過C2、C3、R3 來設定 AiP3842 的工作頻率。

（2）電流反饋與電壓反饋

通過電阻將電流變化轉化為電壓變化，將該路信號引入AiP3842，AiP3842 內部誤差放大器依據反饋信號做出相應處理，進而調節PWM 輸出起到調節電源的作用。在輸出端接入RC 電路以減小因變壓器線間電容產生的電流尖峰，根據電流尖峰的持續時間設定RC 電路的時間常數，經測量該尖峰時長通常為幾百納秒。本設計中取常用值 R8=1kΩ，C5=500pF，則時間常數。

當AiP3842 的3 引腳的電壓超過設定的閾值時，通過調節PWM 占空比，進而降低ISENSE 引腳的電壓，進而起到限流的作用。

通過HPC817 及7W431 搭建電壓反饋電路，搭配AiP3842 達到很好的效果，輸出電源調整率在±0.2%。電壓反饋電路如圖4 所示。

圖4 電壓反饋電路圖

■3.2 功率管驅動電路

通過改變柵極電壓來控制MOS 管的通斷，為了確保PWM 信號的穩定性，避免因引腳懸空出現電平不確定的情況，受到干擾電壓的影響會出現誤導通的問題，柵極連接下拉電阻R5。MOS 管的漏極與變壓器相連，由于變壓器存在漏感現象，在MOS 在關斷時，會有一部分的能量無法從原邊傳輸至副邊，因此變壓器部分儲能電感在系統關斷截止狀態期間會儲藏一定的電荷量，進而產生尖峰電壓[4]。如果不進行處理直接施加在MOS 管漏極上，容易擊穿MOS 管，C7、D3 和R14 組成緩沖吸收電路，D7 進行電壓鉗位，利用TVS 管抑制瞬間高壓，防止擊穿MOS 管。如圖5 所示。

圖5 開關管驅動電路

目前的制造工藝造成MOS 管存在結電容，分別是CDG和CGS，進而造成即使MOS 管關斷，電流也不會立即消失，當這一電流足夠大時，將會導通MOS 管，D6、R4 和R15起到限流的作用[5]。在MOS 管開通和關斷的過程中，會產生較大的尖峰電壓、電流，增大驅動電阻會減小du/dt和di/dt降低MOS 管開關速率，但會增加功耗；驅動電阻的減小會使增大du/dt和di/dt，產生的電壓電流尖峰可引起誤動作，應當根據應用環境，對電阻進行折中的選擇。

4 實驗結果

在電路的設計過程中，通過Multisim 進行電路仿真，在仿真結果正常的情況下進行實物搭建，實現輸入AC120V（50Hz），輸出DC24V，通過LDO 進行降壓以滿足負載電壓需求。電源效率達到85%，開關頻率達到75kHz。經驗證該開關電源輸出穩定，性能可靠。圖6 為AiP3842 輸出的PWM 波形。圖7 為24V 輸出電壓。分別接入16W、32W 和64W 負載，同時測量MOS 管的VDS電壓，如圖8 ～10所示，在不同負載的情況下，MOS 管開關過程中產生的電壓波動穩定，VDS峰峰值電壓并沒有因電流的增大而產生較大的變化。

圖6 PWM 波形

圖7 24V 電壓

圖8 64W

圖9 32W

圖10 16W

5 結語

本文設計了一款開關電源，采用反激式拓撲結構，以國產元器件為基礎，在完成反激式開關電源功能驗證的同時，對國產器件進行性能驗證。由試驗結果可知，該反激式開關電源輸出穩定，性能可靠。