多路輸出單端反激電源的設(shè)計

陳 城，黃 輝，王金寶，閆永昶，董圓圓

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京100044）

0 引 言

開關(guān)電源是電力電子設(shè)備中不可缺少的部分。隨著功率開關(guān)管技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的設(shè)計趨向于小型化、高頻化。相比較傳統(tǒng)的線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源，單端反激式開關(guān)電源具有輸出紋波小、效率高等突出特點，尤其適用于中小功率的開關(guān)電源。為了達(dá)到良好的線性調(diào)整率和快速的輸入輸出動態(tài)響應(yīng)，適應(yīng)工程應(yīng)用中低成本高性能的設(shè)計要求，本文設(shè)計了一種基于UC2844的單端反激式開關(guān)電源［1］。

1 單端反激式開關(guān)電源的基本原理

單端反激式變換器的電路主要由輸入整流濾波電路、功率變換電路、輸出整流濾波電路等部分組成。單端反激電路的基本工作原理如圖1所示，功率開關(guān)管Q1高電平時導(dǎo)通，低電平時關(guān)斷。將經(jīng)過整流的直流輸入電壓接在變壓器原邊Lp上，當(dāng)PWM信號驅(qū)動Q1開通時，輸入電壓通過高頻變壓器在副邊感應(yīng)出上負(fù)下正的感應(yīng)電壓，整流管D1反向截止，此時通過電感儲存電能，沒有能量傳遞給負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管Q1截止時，原副邊繞組上的電壓極性反轉(zhuǎn)，整流管D1正向偏置導(dǎo)通，變壓器中儲存的磁能又轉(zhuǎn)化為電能向副邊釋放。其中高頻變壓器在Q1開通時起電感儲能作用，也起到了變壓隔離的作用。對于單端反激式變換器應(yīng)用中比較突出的磁芯磁復(fù)位問題通常用加氣隙來解決，既能將輸出波紋有效降低還能將開關(guān)頻率進(jìn)一步提高［2］。

圖1 單端反激式變換器簡圖

圖2 為開關(guān)電源的基本原理示意圖。系統(tǒng)主要由單端反激式變換電路和PWM控制電路兩部分組成，設(shè)計的目的是將輸入的交流電經(jīng)過整流濾波后的直流電壓轉(zhuǎn)換成±15 V和5 V三路輸出，實現(xiàn)對負(fù)載供電。控制思路是：在電壓反饋的大閉環(huán)中，加入電流反饋部分參與動態(tài)調(diào)節(jié)，形成雙環(huán)控制［3］。具體實現(xiàn)步驟是：采集電壓電流信號，通過PWM控制器控制開關(guān)管的通斷，進(jìn)而調(diào)節(jié)變換器中的峰值電流，從而改變輸出電壓直至符合設(shè)計要求。系統(tǒng)采用了電壓電流雙閉環(huán)控制，當(dāng)電路正常工作時，反饋繞組對UC2844進(jìn)行供電，同時反饋電壓經(jīng)過分壓電阻送入UC2844，與基準(zhǔn)電壓比較后再經(jīng)誤差放大器放大，輸出信號再與電流反饋環(huán)的反饋信號比較，進(jìn)而調(diào)節(jié)占空比，保持輸出電壓的穩(wěn)定。采用這種控制方式可以解決電源在實際應(yīng)用中面臨的負(fù)載電流變化率較高的情況，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 多路輸出單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計

多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計的性能要求如下：

輸入電壓：AC90～240 V，50 Hz。

輸出：DC＋5 V，額定電流3 A，最小電流0.75 A；

DC＋15 V，額定電流1 A，最小電流100 mA；

DC－15 V，額定電流1 A，最小電流100 mA；

DC＋5 V，偏置電流0.1 A。

效率：η＝80%。

工作頻率：f＝50 k Hz。

工作磁通密度：Bmax＝2 000 G。

基于電源低成本高穩(wěn)定性的目的，結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境，最終選取了Unitrode公司生產(chǎn)的電流型PWM控制器UC2844。UC2844可直接驅(qū)動 MOSFET，性能可靠、安裝簡單。在使用UC2844的基礎(chǔ)上通過表1所示的優(yōu)劣對比選擇了峰值電流控制方式［4，6］。

表1 常見控制方法的對比

根據(jù)上述性能要求，單端反激式開關(guān)電源原理圖如圖3所示。

2.1 高頻變壓器設(shè)計

單端反激式開關(guān)電源中變壓器不同于其他雙極性變壓器，能量不僅要傳遞還要在電感中儲存。這就要求采用特殊的方法設(shè)計高頻變壓器，同時考慮到其特殊的應(yīng)用環(huán)境。

（1）估算輸入功率、輸入電壓、輸入電流和峰值電流

a.輸出功率：Po＝5 V×3 A＋2×15 V×1 A＝45 W。留有一定的余量所以取Po＝60 W

b.輸入功率：Pin＝Po／η＝60 W／0.8＝75 W

c.輸入電壓：Uin（min）＝90 V×1.414＝127 V

Uin（max）＝ 240 V×1.414＝340 V

d.最大、最小平均輸入電流：

計算可得最大平均電流為0.59 A，最小輸入電流為0.133 A。

e.峰值電流：

計算可得峰值電流為2.60 A。

（2）確定磁芯型號尺寸

根據(jù)EI磁芯性質(zhì)65 W可選用每邊約35 mm的EE35／35／10材料為PC30磁芯。

磁芯Ae＝100 mm2，Acw＝188 mm2，W＝40.6 g

（3）計算一次電感最小值Lpri

此處選最大占空比Dmax＝0.5，計算可得Lpri＝488μH。

（4）計算磁芯氣隙Lgap值

式中：Ae為磁芯的有效面積，代入數(shù)值計算得到lg＝0.4 mm。查表可得，EE35／35／10的 AL＝120μH／N2，Lgap約為0.5 mm。

（5）計算一、二次繞組匝數(shù)

其中Npri為一次繞組最大匝數(shù)，Ns1為DC＋5 V繞組。其中副邊繞組匝數(shù)按輸入最小電壓，導(dǎo)通的占空比最大進(jìn)行計算。

由公式（6）計算得63.7 T，取 Npri＝64匝。由公式（7）計算得2.87 T，取Ns1＝3匝。

此處整流二極管壓降UD＝0.7 V

（6）計算其它次級繞組匝數(shù)

經(jīng)計算得：

（7）計算和選取繞組導(dǎo)線線徑

線徑公式：

這里J＝3 A／mm2

計算趨膚深度：

S＝66.1／SQRT（f）＝66.1／SQRT（50×103）＝0.296 mm，穿透深度為2S＝0.592 mm 。

由于高頻電流流過導(dǎo)體時，電流的趨膚效應(yīng)變得比較突出，也就是說電流從導(dǎo)體的外表面往內(nèi)按深度的深度內(nèi)可以通過電流，再深的地方就沒有電流流過，這樣就造成浪費。所以選擇導(dǎo)線的線徑應(yīng)該小于0.592 mm［7］。

2.2 器件選擇

開關(guān)管選用意法半導(dǎo)體高電壓功率MOSFET STP3N150。穩(wěn)壓二極管選用18 V／1 W的1N4746A。整流二極管選用UF2004。

2.3 電路仿真

利用Saber軟件對電路進(jìn)行仿真分析。Saber是美國Analogy公司開發(fā)的系統(tǒng)仿真軟件，是迄今為止唯一的多技術(shù)多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品。一般基于Saber的仿真分析主要有基于原理圖和基于網(wǎng)表兩種分析方法。前者比較直觀，但是需要在仿真分析設(shè)置和結(jié)果觀察兩個工具之間進(jìn)行切換，分析步驟比較復(fù)雜［8］。

通過對電路的實際仿真，得到圖4和圖5電路正常工作時的輸出電壓波形。由圖可以看出，本文所設(shè)計的15 V電源滿足電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率的要求。

圖4 電路正常工作時15 V端的仿真波形

圖5 電路正常工作時5 V端的仿真波形

3 實驗結(jié)果及分析

圖6所示是單端反激式開關(guān)電源的實物圖。應(yīng)用上述原理設(shè)計的開關(guān)電源具有＋15 V，－15 V，＋5 V三路輸出。圖7到圖9是電源正常工作時各路的輸出波形。當(dāng)輸入電壓發(fā)生波動時，UC2844通過反饋信號來調(diào)節(jié)輸出脈沖占空比，盡量維持三路輸出的波形不變［9］。

圖6 單端反激式開關(guān)電源實物圖

圖9 電路正常工作時5 V端口的輸出電壓

實驗結(jié)果表明電源在額定功率下能夠正常穩(wěn)定的工作。由于主電路中電容充放電時形成的電壓波動影響，會使MOS管在開關(guān)過程中形成輸出電壓的脈動，產(chǎn)生有害的紋波。本文所設(shè)計的多路輸出單端反激式開關(guān)電源能夠較好地解決這個問題，完全滿足設(shè)計要求。［10］

4 結(jié)束語

圖7 電路正常工作時＋15 V端口的輸出波形

圖8 電路正常工作時－15 V端口的輸出波形

經(jīng)過實驗證明本文所設(shè)計的基于UC2844的多路輸出單端反激式開關(guān)電源符合基本設(shè)計要求，輸出紋波小、動態(tài)響應(yīng)性能良好，具有良好的應(yīng)用前景。

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