一種隔離型反激式開關電源的設計

南京郵電大學電子與光學工程學院微電子學院 薛 鵬

隔離型設計可以使輸入市電高壓與輸出低壓應用分開，這樣設計的優點是確保輸出端使用的安全。因為反激式開關電源的變壓器具有電感和變壓器的雙重作用，所以輸出端不需要使用電感。較其他拓撲而言，反激變換器的好處就是可以進一步減小電源體積、節約設計成本等。本設計基于原邊反饋的技術、混合工作模式設計出一款12W（12V/1A）的反激式開關電源，有著較高的轉換效率。分別驗證系統在交流115V和交流230V兩種用電標準下的轉換效率，結果表明本設計的效率滿足六級能效的要求。

在信息高速發展時代，各行各業都在飛速地發展同時對電源技術提出更高更多的要求。比方說提升效率、節約能源、減輕重量、減小體積、防止污染、環境改善、使用安全性等。與線性電源相比，開關電源有著高功率密度、高效率、小體積、輕重量等諸多優勢，因此它在工程實踐中的應用更加廣泛。尤其20世紀90年代微型計算機的普及與通信技術的突飛猛進，極大的推動開關電源技術的進步和開關電源產業的蓬勃發展。根據不同的拓撲結構來分類，開關電源分為隔離和非隔離兩種形式。隔離的拓撲結構包括正激式、反激式、半橋式、全橋式等，非隔離型的拓撲結構有Buck、Cuk、Boost、Sepic、Buck-Boost等。若按照不同的激勵形式來分類，開關電源又可以劃分為他激式和自激式兩種。如果按照控制方式來分類，開關電源還可以分成脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM)、脈沖頻率調制(Pulse Frequency Modulation,PFM)、混合調制方式(PWM+PFM)。按照輸入和輸出電壓大小來分類，開關電源可以分成升壓式、降壓式。

1 設計反激式開關電源的電路

1.1 電路拓撲結構（見圖1）

圖1 反激式開關電源的電路拓撲

1.2 工作原理

圖2(b) SSR反饋原理

由圖1所示可知，反激變換器大致由輸入整流濾波電路、功率變換電路、輸出整流濾波電路、輸出采樣電路和控制器五個子模塊組成。輸入整流濾波電路由D1、D2、D3、D4和Ci組成，當輸入端流過交流信號Vin時，先被橋式整流器（四個二極管D1、D2、D3、D4組成）全波整流成直流信號Vd，再通過輸入電容Ci濾波后變為有一定脈動成分的直流電壓Vc。功率變換電路由MOS管M1和變壓器T1組成，當M1導通時，輸入電壓Vc給初級電感Lp充電，流過Lp的電流線性升高直到峰值Ip，該過程稱之為儲能或者勵磁階段。而此時次級側電感Ls同名端為正，故次級整流二極管D5反向截止。當M1斷開時，初級電感Lp中的電流不斷減小，該過程稱之為釋能或者消磁階段。

2 設計反饋方式和工作模式

2.1 設計反饋方式

圖2(a)、圖2(b)分別為原邊反饋和副邊反饋的原理圖。

圖2 (a) PSR反饋原理

與SSR相比較，PSR的優點表現為：（1）節省光耦和TL431等外置環路補償器件，使系統更加精簡；（2）由于外圍使用的器件更少，所以它有著更低的成本。本文采用原邊反饋控制。

2.2 設計工作模式

反激變換器工作模式可分為連續導通模式（Continuous Current Mode,CCM）和斷續導通模式(Discontinuous Current Mode,DCM)。如圖3(a)、圖3(b)所示。

圖3 (a) CCM工作波形

圖3(b) DCM工作波形

（1）CCM工作模式分析

PWM信號代表MOS管的驅動信號、Ip代表初級電感中的電流、Is代表次級電感中的電流、T表示MOS管的開關周期、Ton表示MOS管的導通時間、Toff表示MOS管的關斷時間。當MOS管關斷時，初級線圈中存儲的能量往次級線圈傳輸。在這放電過程中，初級線圈中的能量并未完全釋放，故在MOS管關斷結束時刻次級線圈中電流不為零。

在Ton剛開始時，初級線圈電感中的電流為Ipv，這對應著次級線圈放電結束時電流Isv；由楞次定律可知初級電感中的電流以斜率等于Vin/Lp升高，在Ton結束時初級電感中的電流達到最大值。

當Toff剛開始時，次級線圈電感中的電流為Isp，然后以斜率等于Vout/Ls降低，在Toff結束時次級電感中的電流達到最小值Isv。CCM沒有死區（初級線圈電流為零、次級線圈電流為零）時間，整個Toff期間都是在消磁。

（2）DCM工作模式分析

Tdis表示MOS管的消磁時間、Td表示死區時間。

在Ton期間，次級側的二極管處于反向截止狀態，因此次級電感中的電流Is為零；初級電感電流Ip的初始值為零，勵磁過程中Ip以斜率等于Vin/Lp線性上升。(Vin代表輸入電壓，Lp代表變壓器初級繞組的電感量)

（3）混合工作模式

本設計采用多工作模式：負載為重載時芯片工作在PFM_QR模式，此時Ipeak不變，工作頻率隨著輸出電流的減小而減小；當工作頻率減小到25KHz附近，芯片選擇工作在PWM_QR模式，這時Ipeak隨著輸出電流的減小而減小，但頻率基本保持不變，該模式不但可以有效的避免音頻噪聲問題而且有利于提升帶載效率；當芯片CS管腳偵測到內部RCS上電壓達到170mV時，芯片又選擇進入空載模式（Standby），此工作階段的Ipeak保持不變，工作頻率隨輸出電流減小而減小。如圖4所示。

圖4 本設計選用的工作模式

3 實驗驗證與測試

表1所示列出樣機的輸入/輸出要求。

表1 輸入/輸出參數

3.1 設計變壓器

根據反激變壓器的設計原則和設計步驟，結合表1中參數，計算出該變壓器的初級線圈繞組Np=87，次級線圈繞組和輔助繞組的匝數分別為11匝和14匝，所設計出的反激變壓器詳細信息如表2所示。

表2 設計的變壓器參數

3.2 繪制電路圖

使用Protel繪圖軟件，繪制基于PN8370的隔離型反激式電源，圖5所示為設計的原理圖。

圖5 繪制的電路圖

制作出的實物如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 (b) 樣機的背面

圖6 (a) 樣機的正面

3.3 樣機效率

在輸入條件為115V/60Hz和230V/50Hz兩種不同模式下，測試樣機的帶負載能力。分別計算25%、50%、75%、100%帶載條件下樣機的效率，具體的數值如表3所示。結果表明在115V/60Hz和230V/50Hz兩種用電標準下，設計樣品的平均效率均優于六級能效的要求（83.08%）。

表3 不同輸入條件/不同負載下的樣機效率

本文設計了一款功率為12W（12V/1A）的反激式開關電源，采用反激式的拓撲結構、混合工作模式。在輸入分別為交流115V和交流230V兩種用電標準下，系統的轉換效率均滿足六級能效的要求。本設計的隔離型反激式開關電源具有結構簡單、體積小、輸入電壓范圍寬、轉換效率高等優點。