基于LM25183的反激式開關電源設計

彭建偉，王少杰，徐 劍

（邵陽學院 機械與能源工程學院，湖南 邵陽 422000）

0 引 言

隨著電力電子技術的發展，反激式開關電源由于效率高、功耗小、高隔離、體積小等優點已經廣泛應用于工業產品、電子通信與航空領域，作為其控制系統中的輔助電源[1]。在電力電子設備追求高密度，高功率的背景下，為了進一步減小體積，輔助電源往往由變頻器的直流環節供電。與傳統的輸入電壓為市電的開關電源相比，這種供電方式使電源開關器件在關斷時刻承受更高的電壓應力。除了選擇具有適當耐受電壓的開關管外，還需要設計箝位電路以有效吸收漏感能量。參考文獻[2]對液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）箝位電路，TVS箝位電路、剩余電流裝置（Residual Current Device，RCD）箝位電路進行了比較，指出RCD箝位電路因其結構簡單、功率效率高而被廣泛應用。文獻[3]為了解決準諧振控制帶來的開關頻率變化范圍大的問題，設計了一種多模式控制方法，使準諧振模式下的開關頻率非常低，系統將工作在連續電流模式下，從而在低輸入電壓和高負載條件下提高功率效率。

1 開關電源芯片LM25183

LM25183是一款初級側調節(PSR)反激式轉換器，具有高效率，對隔離輸出進行電壓采樣，固定頻率脈寬可調的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation,PWM）控制芯片，其內部結構如圖1所示[4]。該芯片具有以下優點。

圖1 LM25183芯片內部結構

（1）金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）在邊界導通模式（Boundary Conduction Mode，BCM）模式下能夠實現準諧振關斷，因此可以實現低電流甚至零電流關閉[5]。

（2）具有單輸出和多輸出的功能。

（3）內部環路補償。

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

2 反激式開關電源工作原理

反激式開關電源拓撲結構如圖2所示，直流輸入電壓由Ui輸入，經過輸入保護電路和EMI濾波電路，全橋整流，再次濾波，使輸出變得平滑，通過功率開關管以及高頻變壓器，之后輸出整流濾波；功率管以及高頻變壓器內部結構如圖3所示，Np、Ns為變壓器初級、次級繞組匝數，初級繞組加到開關管的漏極，當開關管導通時，初級繞組是上正下負，次級繞組是上負下正，二極管截止，此時沒有輸出。當開關管關閉時，此時初級繞組是上負下正，次級繞組是上正下負，二極管導通，線圈開始放能，此時輸出電壓，變壓器在儲能放能過程中，線圈遵守伏秒平衡守則。

圖2 反激式開關電源拓撲結構

圖3 功率管以及高頻變壓器工作原理

3 確定系統要求與電路設計

本次設計的開關電源系統指標如下：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 變壓器參數設計

根據系統需求，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，計算輸出電流為

輸入功率為

低壓滿載時原邊峰值電流為

占空比為

勵磁電感量為

利用AP法進行磁芯選擇，即：

暫磁芯為EE25磁芯，其磁芯參數如表1所示。

表1 EE25磁芯參數

實際磁芯AP值為

原邊繞組匝數為

副邊繞組匝數為

3.2 RCD箝位保護電路

當MOS管開關斷開時，由于漏感的影響，高頻變壓器的一次繞組會產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，開關管上的寄生電容很小，很容易擊穿。因此，在初級繞組與開關管之間加RCD箝位電路，如圖4所示。當開關管關閉時，形成的峰值脈沖能量先將開關管的寄生電容充滿，隨后通過D1，對C1進行充電，直到C1兩端電壓大于開關管兩端電壓充電結束，電容C1通過對R1進行放電，存儲的能量通過電阻消耗，電阻起到緩沖接收電壓峰值的作用，進而保護開關管。對于D1耐壓值的選型，選擇理論耐壓值為80 V，在實際測試中耐壓值為32.8 V，如圖5所示，符合設計要求。

圖4 RCD鉗位電路

圖5 二極管尖峰電壓

3.3 采樣電路設計

本次設計的反激式開關電源采用雙閉環結構，它們是內環的電流反饋環和外環的電流反饋回路。內環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。首先要考慮內部的電流環。

常用的電流檢測有外接電阻檢測法，霍爾傳感器檢測法、電流互感器檢測法。霍爾傳感器檢測法與電流互感器檢測法由于體積大、誤差大、功率損耗較大，不適合用于本次設計的反激式開關電源，因此采用外接電阻檢測法較為妥當。

LM25183芯片內部具有精密電壓調節器，對基準電壓具有可調節性。內部具有2.5 V的基準電壓，可以對輸出電壓進行調節，在2.5～36 V調節穩定輸出電壓。

4 驗證結果分析

利用Simplis仿真軟件搭建了仿真模型，對所敘述的拓撲原理及參數進行防真，對印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）進行實物測試。

效率測試結果如表2所示。

表2 效率測試結果

輸出波形如圖6所示。

圖6 輸出波形

5 結 論

本文提出反激式開關電源DC-DC的電源方案，由LM25184芯片驅動MOS管，采用AP法進行變壓器設計，利用準諧振技術，降低交叉損耗，實現了低電流關閉、低電壓導通，對開關管采用RCD鉗位保護電路，實現開關電源的功率變換電路，由4.5～32 V的直流電穩定轉換成+15 V直流電，通過實驗仿真與實物測試結果分析，設計的反激式開關電源可以穩定的輸出+15 V電壓，輸出電壓開機時間為17 ms。通過Simplis仿真軟件進行仿真，通過結果可以看到，工作比較穩定，效率滿足要求，結構簡單，為反激式開關電源提供有利的依據。