高功率密度超薄開關電源設計*

于 廣，李鳳坤，田 華

(大連東軟信息學院 智能與電子工程學院，遼寧 大連116023)

0 引言

隨著電子儀器設備朝著小型化、高功率密度、高變換效率、高可靠性、綠色化方向發(fā)展，輕、薄、小成為衡量儀器設備的重要標志，故設計高功率、高性能的開關電源是電力電子技術研究的重要內容。磁性元件的體積和重量在開關電源中占據相當大的比例，占總體積和重量的百分之三四十， 降低開關電源中的磁性元件的體積，成為降低開關電源的體積和重量、提高其功率密度的一種方法[1]。 平面變壓器因以PCB Trace 代替導線繞組實現變壓器平面結構，可有效降低變壓器厚度, 減小開關電源的體積和重量。

1 設計方案

1.1 樣機規(guī)格

樣機設計規(guī)格如下：

(1)輸入電壓：90 VAC～264 VAC

(2)輸出電壓：+19.5 V±5%

(3)輸出功率：45 W

(4)輸出電流：0～2.3 A

(5)樣機尺寸：9 cm×5 cm×2 cm

1.2 設計方案

文中的高效率緊湊型開關電源，主電路采用反激(Flyback)拓撲實現DC/DC 變換，反激主電路工作在(CCM)電流連續(xù)模式。 主電路中變壓器采用平面變壓器設計方案，因PCB 結構可以顯著減少變壓器體積，還具有一致性好、低漏感、低損耗等優(yōu)點，成為超薄開關電源的理想選擇。 同時考慮高效率和高功率密度小體積的規(guī)格需求，控制電路中的主控制器選用100 kHz 開關頻率的仙童半導體的集成綠色PWM 控制芯片SG6742，高開關頻率能有效地降低開關電源的重量和體積， 同時100 kHz的開關頻率又有益于解EMI 問題。

2 功率級電路主要參數設計

2.1 Bus 電容容值計算及設計

輸入整流后的脈動直流需要電容進行濾波，設濾波后直流電的電壓均值為100 V，最低值為73 V，則有式(1)：

式中：P0為輸出功率；VinDC_min為整流濾波后直流電壓最低值；Vacmin為輸入最小交流電壓值；η 為變換器轉換效率；f 為交流電頻率。 經計算可得，C=64 μF，為同時滿足最大Vac=264 V 電壓輸入，整流后直流電壓為375 V，所以文中選用Rubycon 的68 μF/400 V 電解電容做Bus 電容。

2.2 反激變換器變壓器設計

反激拓撲結構相當于變壓器隔離型Buck-Boost 變換器，在反激拓撲中，變壓器除了實現電氣隔離和電壓匹配之外，還有儲存能量的作用，前者是變壓器的屬性，后者是電感的屬性，所以反激變換器相當于一個異步電感。 反激變壓器在能量轉換中發(fā)揮了重要作用，故反激變換器中的變壓器的設計成為開關電源設計中最重要的一項。 同時，也正因在反激變換器中變壓器相當于電感，所以反激變換器不同于正激變換器，其次級不一定要接輸出濾波電感，從而使反激變換器的體積減少，成本降低[2]。 同時也正因此使得輸入電壓和負載變化時，反激變換器各輸出端都能夠很好地調整，從而反激變換器也適合多組輸出的變換需求[3]。

2.2.1 反激變換器工作模式

反激變換器根據次級電流是否有降到零，反激可以分為斷續(xù)工作模式(DCM)和連續(xù)工作模式(CCM)兩種工作模式。 在相同的功率輸出，連續(xù)工作模式在原副邊都呈現較小的峰值電感電流，這樣便可使用更低額定的原邊MOSFET 和副邊整流管[4]。 文中的開關電源設計工作在連續(xù)工作模式，電感電流紋波率Krp(電感電流波動值與最大電流值之比)為0.9，反激變換器工作在深度連續(xù)工作模式。

2.2.2 平面變壓器參數設計

(1)PCB 平面變壓器的優(yōu)勢

印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)型變壓器，稱高頻PCB 平面變壓器， 是近年來發(fā)展起來的一種新技術， 其 “繞組” 是利用印制電路板上的Trace 做導線繞組，可省去繞組骨架，使開關電源變壓器的體積大為減小，特別是高度可得到有效降低，使超薄開關電源設計成為可能。PCB 平面變壓器可有效減少在高頻時由鄰近效應和肌膚效應產生的渦流損耗，增強導電性能，增大電流密度， 有效提高變壓器的轉換效率和功率密度。同時因PCB 繞組的緊密耦合性，可有效減小漏感，同時因PCB 繞組的結構特性，具有寄生參數固定的優(yōu)點，與傳統(tǒng)變壓器比較，其一致性更好控制[5]。

(2)變壓器匝比的求取和繞組匝數的設計

依據電源設計規(guī)格要求，設在最小輸入電壓90 VAC時，整流輸出電壓平均值為100 V，最小電壓為73 VDC，由輸出電壓19.7 V，最大占空比58%，根據式(2)，求變壓器最大匝比：

式中，Dmax為最大占空比，Vest_Rec為副邊整流二極管正向壓降。

求得變壓器最大匝比Nmax為5，可初步設變壓器原邊繞組Np=24 匝，副邊繞組Ns=5 匝。

根據反激變換器輸入輸出電壓關系，計算實際工作占空比D 為：

式中，VinDC_av為整流濾波后直流電壓的平均值。

(3)反激變壓器原邊感量

依據輸入輸出功率守恒原則，設電感電流紋波率Krp=0.9，變壓器轉換效率為ηTrans=0.95,可依據下式求得[6]電感平均電流Iave-P和紋波電流Irpp_P。

式中，Pin為輸入功率，Po為輸出功率。

根據輸入電壓除以原邊感量為電感電流上升的斜率，乘以導通時間為電感紋波電流，從而可以得出變壓器原邊感量Lp[7]：

式中，fs為開關頻率。

2.2.3 平面變壓器磁芯的選取

設計反激變壓器(異步電感)與其他拓撲變壓器有所不同，需要增加氣隙，以此提高磁芯的能量儲存能力。若反激變壓器不開氣隙，變壓器存儲很少的能量就將飽和，但若將氣隙開得太大，又會增加變壓器的繞組匝數，從而產生較大的繞組銅損，且會增大繞組所占的窗口面積，因此需計算選擇合適的磁芯和氣隙大小，讓平面變壓器窗口面積得到有效利用。 PCB 平面變壓器可以采用下面的體積公式計算[8]：

計算得Ve=2 093×10-3cm3，文中電源選用EIR25/ACP40型磁芯，其磁芯參數如表1 所示。

為得到所需的感量，對磁芯氣隙AirGap 計算設定：

式中，Np為變壓器原邊匝數。

2.2.4 平面變壓器繞組電流和繞組設計

(1)變壓器原邊電流

以原邊平均電流(Iave_P)和紋波電流(Irpp_p)為基礎，依據電流有效值定義，推導計算求得原邊電流(Irms_P)為：

表1 磁芯材料參數

(2)變壓器副邊電流

先求副邊紋波電流Irrp_s，再以副邊平均電流,即輸出電流(Io)和紋波電流(Irrp_s)為基礎，依據電流有效值定義，推導計算求得副邊電流(Irms_s)為：

(3)設PCB 繞組電流密度為J=30 A/mm2，原邊繞組印制線厚度(Hp)為0.056 mm，副邊繞組印制線厚度(Hs)為0.089 mm，則計算的原邊繞組Trac 寬度(Wp)為：

根據計算結果， 選取原邊繞組Trace 寬度為0.508 mm， 副邊繞組Trace 寬度為1.524 mm。

2.3 開關管所受的電壓壓力

開關管所受的電壓壓力(Vds)為輸入最大直流電壓(VDCmax)和副邊反饋電壓(Vreflect)與被鉗位后的漏感震蕩電壓(Vclamp)三部分電壓之和。 其中副邊反饋電壓為原邊開關管關斷時，輸出電壓通過變壓器反饋到原邊的電壓，被鉗位后的漏感震蕩電壓(Vclamp)為開關管關斷瞬間，由變壓器漏感和開關管輸出電容串聯產生震蕩產生的電壓，被RCD 電路吸收鉗位后的電壓。 通過電容吸收、二極管鉗位、電阻消耗，將漏感能量釋放掉，但要注意RCD 吸收鉗位不能過猛，否則將成為一個吸收激磁電感能量的負載。 設該電壓被RCD 鉗位電路鉗位后的電壓為120 V，計算開關管的電壓應力為：

根據計算的電流和電壓值，開關管選用英飛凌公司的TIPD60R385CP(7A/600V/0.385ohm)MOSFET。

2.4 輸出電容的計算及設計

依據電容伏安關系，設輸出電壓紋波峰峰值Vrp為200 mV，則可得輸出電容容值為：

式中，T 為開關周期，D 為占空比。

依據計算結果，文中開關電源的輸出電解電容選用Rubycon 低ESR 的680 μF/25 V 電 解 電 容。

3 高頻PCB 平面變壓器設計

3.1 PCB 平面變壓器的磁芯結構尺寸

反激變壓器磁芯EIR25 的結構如圖1 所示。 變壓器磁芯結構尺寸如表2 所示。

圖1 反激變壓器磁芯結構

表2 磁芯結構尺寸

3.2 PCB 平面變壓器的繞組形狀

依據磁芯的結構尺寸，進行平面變壓器PCB 的設計，圓形繞組較矩形繞組利用率高，因此本文采用PCB 圓形繞組進行設計。 變壓器PCB 繞組借鑒傳統(tǒng)變壓器三明治繞法來減小變壓器的漏感，從而減小功率開關管的電壓應力，緩解吸收電路壓力，間接地提高了電源的效率[9-10]。 PCB 平面變壓器繞組結構如表3 所示。

初級繞組分為4 層，每層6 匝，次級繞組同樣也為4層，輔助繞組2 層，每層4 匝，初次級和輔助繞組層間連接通過打過孔進行連接。 采用三明治繞法進行繞制，以此來增加初級繞組與輔助繞組和次級繞組的耦合度，從而減少漏感。

4 實驗結果

實驗樣機厚度僅為2 cm，功率密度達500 kW/m3，滿足小巧、輕薄、高功率密度、高變換效率、高可靠性、開關電源綠色化發(fā)展要求。

4.1 輸出電壓穩(wěn)態(tài)特性

低壓115 V，高壓230 V 輸入時，電源輸出紋波電流如表4 所示，高低壓輸入時紋波電壓峰峰值小于200 mV。

4.2 效率

高低壓輸入測試各功率點效率，記錄測試結果，繪制高低壓效率曲線如圖2 所示，1/4 載以上平均效率大于87%。

表3 PCB 平面變壓器繞組結構

表4 高低壓輸入時輸出電壓紋波

圖2 高低壓效率曲線

5 結論

PCB 平面變壓器能有效減小開關電源體積、提高其功率密度。 本文結合設計指標，選用反激變換器為主電路，設計研制了一臺19.5 V/2.31 A 的超薄開關電源，厚度僅為2 cm，體積為9 cm×5 cm×2 cm。 闡述了變壓器繞組匝比、各繞組匝數、占空比、原邊繞組感量的計算和選取、變壓器磁芯的選擇、變壓器氣隙大小的計算，對PC 平面變壓器繞組的寬度厚度以及繞制方式等問題進行了詳細的分析與設計。 樣機實驗結果表明：該電源寬電壓輸入時，紋波峰峰值小于200 mV，平均效率可達87%，功率密度高達500 kW/m3。