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1、1 7-3 正激式开关电源的设计中山市技师学院葛中海由于 反激式 开关电源中的开关变压器起到储能电感 的作用，因此反激式开关变压器类似于电感的设计， 但需注意防止磁饱和 的问题。 反激式在 20100W的小功率开关电源方面比较有优势，因其电路简单，控制也比较容易。而正激式 开关电源中的高频变压器只起到传输能量的作用， 其开关变压器可按正常的变压器设计方法，但需考虑磁复位、同步整流等问题。正激式适合50250W之低压、大电流的开关电源。这是二者的重要区别！7.3.1 技术指标 正激式开关电源的技术指标见表 7-7 所示。表 7-7 正激式开关电源的技术指标项目参数输入电压单相交流 220V 输入
2、电压变动范围160Vac235Vac 输入频率50Hz 输出电压VO=5.5V20A 输出功率110W 7.3.2 工作频率的确定工作频率对电源体积以及特性影响很大，必须很好选择。 工作频率高时， 开关变压器和输出滤波器可小型化，过渡响应速度快。但主开关元件的热损耗增大、噪声大，而且集成控制器、主开关元件、输出二极管、输出电容及变压器的磁芯、还有电路设计等受到限制。这里基本工作频率0f选 200kHz，则3 01020011 fT=5s式中，T为周期，0f为基本工作频率。7.3.3 最大导通时间的确定对于正向激励开关电源，D选为 40%45%较为适宜。最大导通时间maxONt为maxONt=T
3、maxD（ 7-24）maxD是设计电路时的一个重要参数，它对主开关元件、输出二极管的耐压与输出保持时间、变压器以及和输出滤波器的大小、转换效率等都有很大影响。此处， 选maxD=45%。由 式 （ 7-24） ，2 则有maxONt=5s0.45=2.25s正向激励开关电源的基本电路结构如图 7-25 所示。图 7-25 正向激励开关电源的基本电路结构7.3.4 变压器匝比的计算1次级输出电压的计算如 图 7-26 所示，次级电压2V与电压OV+FV+LV的关系可以这样理解：正脉冲电压2V与ONt包围的矩形“等积变形”为整个周期T的矩形，则矩形的“纵向的高”就是OV+FV+LV，即ONFLO
4、 tTVVVV2（ 7-25）式中，FV是输出二极管的导通压降，LV是包含输出扼流圈2L的次级绕组接线压降。由此可见， 图 7-26 所示 A 面积等于B面积， C 是公共面积，因此，真正加在负载上的输出电压OV更小。3 图 7-26 “等积变形”示意图根据 式（ 7-25） ，次级最低输出电压min2V为min2V=maxONFLO tTVVV 25.255.03 .05.5=14V 式中，FV取 0.5V（肖特基二极管） ，LV取 0.3V 。2变压器匝比的计算正激式 开关电源中的开关变压器只起到传输能量的作用， 是真正意义上的变压器，初、次级绕组的匝比N为N=2VVI（ 7-26）根据交
5、流输入电压的变动范围160V235V，则IV=200V 350V，inVIm=200V ，所以有N=min2Im VVin=1420014.3 把式（ 7-25） 、 （7-25）整合，则变压器的匝比N为N=FLOinVVVDVmaxIm（ 7-27）7.3.5 变压器次级输出电压的计算变压器初级的匝数1N与最大工作磁通密度mB（高斯）之间的关系为1NSBtVmONinmaxIm410（ 7-28）式中，S为磁芯的有效截面积（mm2） ，mB为最大工作磁通密度。4 输出功率与磁芯的尺寸之间关系，见表 2-3 所示。根据 表 2-3 粗略计算变压器有关参数，磁芯选 EI-28， 其有效截面积S约
6、为 85mm2， 磁芯材料相当于TDK 的 H7C4，最大工作磁通密度mB可由 图 7-27 查出。图 7-27 H7C4材料磁芯的B-H 特性实际使用时，磁芯温度约为100，需要确保mB为线性范围，因此mB在 3000 高斯以下。但正向激励开关电源是单向励磁，设计时需要减小剩磁（磁复位 ）剩磁随磁芯温度以及工作频率而改变。此处，工作频率为200kHz ，则剩磁约减为1000 高斯，即磁通密度的线性变化范围mB为 2000 高斯。根据 式（ 7-28） ，得1N=44maxIm1085200025.220010SBtVmONin 26.5 匝， 取整数 27 匝。因此，变压器次级的匝数2N为2
7、N=1N/N=1N=27/14.3=1.9 匝， 取整数 2 匝。当N=1N/2N=27/2=13.5。根据 式（ 7-27） ，计算最大占空比maxD为maxD=inLFO VNVVVIm=2005.133 .05 .05.542.5% 也就是说，选定变压器初、次级绕组分别为27 和 2 匝，为了满足最低输入电压时还能保证输出电压正常，开关电源的最大占空比maxD约为42.5%，开关管的最大导通时间maxONt约为2.1s。下面有关参数的计算以校正后的maxD（=42.5%）和maxONt（=2.1s） 。同时，由 式（7-26）5 计算的输出最低电压min2V约为 14.8V。7.3.6
8、变压器次级输出电压的计算1计算扼流圈的电感量流经输出扼流圈的电流LI如图 7-28 所示，则LI为LI=maxmin2 ONOFtLVVV（ 7-29）式中，L为输出扼流圈的电感（H） 。图 7-28 扼流圈中的电流波形这里选LI为输出电流OI（=20A ）的 10%30%，从扼流圈的外形尺寸、成本、过程响应等方面考虑，此值比较适宜。因此，按LI为OI的 20%进行计算。LI=OI0.2=200.2=4A 由 式（ 7-29） ，求得LI=1 .245 .55 .08 .144.6H如此，采用电感量为4.6H，流过平均电流为20A 的扼流圈。若把变压器次级的输出电压与电流波形合并在一起，如图
9、7-29 所示。在ONt期间，2V为幅度 14.8V 的正脉冲， VD1导通期间扼流圈电流线性上升，电感励磁、磁通量增大；在OFFt期间，2V为幅度NV / 1的负脉冲（ 具体分析见下文） ，VD1截止、 VD2导通，扼流圈电流线性下降，电感消磁，磁通量减小。输出给负载的平均电流OI为 20A。稳态时，扼流圈的磁通增大量等于减小量。6 图 7-29 次级的电压与电流波形2计算输出电容的电容量输出电容大小主要由输出纹波电压抑制为几mV 而确定。 输出纹波电压rI由LI以及输出电容的等效串联电阻ESR确定，但输出纹波一般为输出电压的0.3% 0.5%。rI=1005.03 .0OV=10055 .
10、03.0=1525mV （ 7-30）又rI=LIESR （ 7-31）由式（ 7-31） ，求得ESR=Lr II=42515=3.756.25m 即工作频率为200kHz 时，需要选用ESR 值 6.25m 以下的电容。适用于高频可查电容技术资料，例如，用8200F/10V的电容，其ESR 值为 31m ，可选 6 个这样的电容并联。另外，需要注意低温时ESR 值变大。流经电容的纹波电流rmsCI2为rmsCI2= 32LI= 3241.16A （ 7-32）因此，每一个电容的纹波电流约为0.2A，因为这里有6 个电容并联。此外，选用电容时还要考虑到负载的变化、电流变化范围、电流上升下降时
11、间、输出扼流圈的电感量，使电压稳定的ESR，是 Equivalent Series Resistance三个单词的缩写，翻译过来就是“ 等效串联电阻 ” 。ESR 的出现导致电容的 行为背离了原始的定义。ESR 是等效 “ 串联 ” 电阻，意味着将两个电容串联会增大这个数值，而并联则会减少之。7 环路的增益等，它们可能使电容特性改变。 7.3.7 恢复电路设计1计算恢复绕组的匝数恢复电路如 图 7-30 所示。 VT1导通期间变压器T1的磁通量增大，T1蓄积能量； VT1截止期间释放蓄积的能量，磁通返回到剩磁。图 7-30 恢复电路（ VT1截止时）电路中T1上绕有恢复绕组3N，因此VT1截止
12、期间，原来蓄积在变压器中的能量通过VD4反馈到输入侧（IC暂存）。由于 VT1截止期间，恢复绕组3N两端的自感电压限制为输入电压IV的数值，惟其如此，VD4才能把存储在3N中的磁场能转化为电场能反馈到输入侧。这时变压器初级感应电压为 1V=31 NVNI（ 7-33）式中， 1V是1N的感应电压， 极性为上负下正；IV是3N的自感电压， 极性也是上负下正（等于电源电压） 。若主开关元件的耐压为800V，使用率为85%，即axVVIm 18000.85=680V 。 1V680-350=330V 由式（ 7-33） ，求得8 3N 1Im1 VVNax=33035027 28.6 匝， 取整数
13、29 匝。2计算 RCD 吸收电路的电阻与电容VT1导通期间储存在T1中的能量为1E=1222LtVONI（ 7-34）式中，1L为变压器初级的电感量。VT1截止期间，初级感应电压使VD3导通，磁场能转化为电场能，在1R上以热量形式消耗掉。1R中消耗的热量为2E=12 1 RTV（ 7-35）因为1E=2E，联立 式（ 7-34） 、 （ 7-35） ，整理得 1V=ONItVTLR11 2（ 7-36）因为输入电压最高axVIm时开关管导通时间minONt最短，把上式中的IV换成axVIm，ONt换成minONt，加在 VT1上的最大峰值电压dspV为dspV=axVIm+ 1V=axVIm
14、min 11 21ONtTLR（ 7-37）由此，求得1R为1R=2 min12Im12ONaxdsptTLVV （ 7-38）又，当输入电压axVIm时，minONt为minONt=maxONtaxin VVImIm=2.13502001.2s9 式（ 7-38）中，初级的电感量1L是未知数，下面求解。Al-Value 值由磁芯的产品目录提供。EI（E）-28，H7C4 的 A1-Value 值为 5950，则A1-Value=2 11/ NL（ 7-39）由式（ 7-39） ，求得1L为1L=59502 1N910=59502279104.3mH 由式（ 7-38） ，求得1R为1R=26
15、632102.1105103 .41350680228.2k式中，加在VT1上的最大峰值电压dspV取 680V。时间常数11CR比周期T要大的多，一般取10 倍左右，则1C=101RT=1036102.281051773pF 3计算主绕组感应电压当axVIm=350V ，根据 式（ 7-33） ，得 1V=2935027325V 对于正激式开关电源来说，主开关元件导通时变压器励磁，在ONt即将结束时初级绕组的励磁电流1I为1/ LtVONI。开关断开时， 变压器需要消磁，恢复二极管VD3和绕组3N就是为此而设，励磁能量通过它们反馈到输入侧。若绕组1N中蓄积的能量全部转移到绕组3N中，开关断开
16、瞬间 “ 安匝相等 ”原理仍然成立，则绕组3N的励磁电流3I为1 31 3INNI阅读资料10 把1I=1/LtVONI代入上式，得3I=31 NN ONIt LV1又，绕组3N的励磁电感与绕组1N的励磁电感的关系为1213 3LNNL恢复二极管VD3变为导通状态，变压器以输入电压IV进行消磁。为消除1I=1/ LtVONI的励磁电流1I，必要的时间类似1I=1/ LtVONI，即retIVIL3 3把上式3L、3I分别用前两式代入上式，整理得ret1213LNN31 NN ONItLV1IV1=ONtNN13为防止变压器磁饱和，必须在开关断开期间变压器完全消磁，则retOFFt=TD1即ONtNN13TD1因此，正激变换器的电压变比限制为311 NNND比如，本例中1N=27，3N=29，则292727311 NNN0.482maxD（=0.425） 。7.3.8 MOSFET 的选用1MOSFET的电压峰值根据 式（ 7-38） ，计算 VT1上的电压峰值
