单端反激式双输出开关电源设计

1、单端反激式双输出开关电源设计第 33 卷第 2 期2010年 4 月 辽宁科技大学JournalofUniversityofScienceandTechnologyLiaoningV01.33No.2Apr.,2010 单端反激式双输出开关电源设计 王琳,刁嫣妲 ,李荣震,孟艳萍 .,朱连成 (1.鞍山供电公司高新技术开发区供电分公司 , 辽宁鞍山 114051;2.鞍山供电公司电 能计量所 ,辽宁鞍山 114002:3.鞍山供电公司设计院 ,辽宁鞍山 114002;4.辽宁科技大学电子与信息工程学院 ,辽 宁鞍山 114051)摘要:介绍了一种基于 TOP246 的单端反激式双输出开关电源设

2、计 ,结合自制的脉 冲变压器 .用于交流 85 265V 的宽电压输入 ,实现直流 24v/2A 高精度,直流 l2v/1A 双输出.实验证明 ,设计 在实际电路中表现出良好的电气特性 ,可以为相关设计提供较好的参考和借鉴 . 关键词:开关电源;反激式变换器 ;反馈回路 ;脉冲变压器 ;宽电压 中图分类号 :TM44 文献标识码 :A 文章编号 :1674 1048(2010)020t4104 开关电源是现代化机电产品中常用的供电装置 ,可以不受各个国家交流电网的限 制,广泛应用在相关的设备中 ,其效能高低直接关系到机电设备的性能 .开关电源设计主要包含电路 设计和磁路设计 .本文针对反激式隔

3、离变换器口 ,给出基于 TOP 管的开关电源设计方案 ,并具体设 计出一个可用于交流85-265V 宽电压输入和直流 24V/2A, 直流 12V/1A 双输出的单端反激式开关电源 . 设计采用相位补偿技术 ,提高系统稳定性 ,增加抗干扰能力 .通过实验验证了设计的正确性和可 行性.1电路设计1.1 基本原理反激式隔离变换器是中小功率开关电源最为常用的变换器之一,其典型拓扑结构如图 l 所示 .其 中,+V 为整流后的输入电压 ;T 为脉冲变 压器 ,设计中还应有回路控制的偏置绕组 ;D 为输出回路的快恢复肖特基整流二极管 ;R 和 C. 为其阻容吸收电路 ; 输出电路还包括由 电感 L.和两

4、个电容 C.组成的一个 7c 型低通 滤波电路 ;变压器初级有尺 ,C 和 D 组成的 RCD 漏感尖峰吸收电路 ;Q 为控制脉冲变压 器一次绕组导通和截止的反激式变换器所需 的开关功率 MoS 管;N 为初级绕组匝数 ,N 为次级绕组匝数 ;设计中变压器一次侧与二次 图 t 反激式变换器拓扑结构Fig.1Topologicalstructureofflybackconverter 侧的地信号采用安规电容隔离 ;?表示同名端 . 在反激式变换器中 ,功率开关管将输入的直流电压转变成一些列的方波信号施加 于脉冲变压器初级绕组上 ,通过脉冲变压器的电磁能量转换与传递 ,经过整流二极管 ,滤波电路处

5、 理后,给负载 R 提供 所需要的优质电压和功率 .1.2TOP管辅助电路 采用内部集成功率 MOS 管的 TOP246 作为开关控制器件 ,额定负载功率为 90w, 再加以外围电收稿日期 :20091220.作者简介 :王琳(1978 一),男,辽宁鞍山人 ,工程师 ,主要从事电网调度及电源优化的 研究工作 .?142?辽宁科技大学第 33 卷路,可以实现过压 ,欠压,过流,过热等保护功能 .实际使用的 TOP管电路连接,如图 2 所示.图2中,C与R,C2:组成低通滤波和稳压电路 ,可以有效滤除 TOP246管脚 1受到的 干扰信号 .R.接于交流电压整流后输出的直流电压 ,作为系统电压检

6、测 ,当系统出现过电压或 欠电压时 ,TOP246管将自动封锁脉冲输出 ,禁止脉冲变压器工作 .u.引脚用来作为变压器的偏置绕组 输入端 ,与内部集成的 MOS 管管脚 6 配合,反向控制 PWM 输出占空比 ,即管脚 1 流入的电流越大 , 管脚 6 输出的 PWM占空比越小 ;反之,则越大.U 接变压器的初级绕组同名端 .ITOP246图 2TOP246 管脚电路连接Fig.2TOP246pinsconnection1.3 反馈回路图 3 改进型输出反馈电路Fig.3Improvedoutputfeedbackcircuit 采用具有精密电压基准的三端可编程并联稳压二极管 TL431A 和

7、线性光耦 PCS17B构成系统的反馈控制回路 ,利用偏置绕组 ,控制 TOP 管的占空比 ,实现反激式变换器输出电压的 精准控制 .TL431A检测输出的电压 (+24V)越大,经过线性光耦 PC817B变换,流人 TOP管脚 1的电流 越大,TOP管控制内部 MOS 管导通和关断的占空比与输入 1 脚的电流成反比 ,使输出电压降低 ,维 持了输出电压的稳 定 ;反之亦然 .为了提升系统的稳定性 ,设计采用相位补偿技术 2j. 如图 3 所示 ,增加 C 与 R 后, 提高了系统的相角裕度和幅值裕度 .改进后系统的幅频特性和相频特性如图 4 所示 .系统的穿越 频率约为 2.58kHz,相角余

8、量约为 48.3.,系统稳定 .3l_4:禧蓑_频率, Hz图 4 改进后的幅频和相频特性Fig.4Improvedamplitude-frequencyandphase-frequencycharacteristic1.4 脉冲变压器箝位吸收保护电路如图 5中虚线框所示 ,采用 z十RCD带浪涌保护的漏感尖峰吸收电路 ,将MOS管 的电压箝位在175V 以内 ,防止电压过高击穿 MOS 管 .1.5 输出滤波电路为了确保系统输出电压纹波较小 ,设计采取了相应滤波去噪技术 .采用 LC 构成低通滤波器滤除 定的高频干扰 ,滤波电容可按 1000/,F/A 经验值选择容量 .同时 ,输出采用效抑

9、制共 模和差模干扰的电感还可以避免系统对其他电路和电气设备的干扰 .实验调试后的 EMI 良好 . 脉冲变压器初级箝位与输出滤波电路 ,如图 5 所示 .第 2 期王琳 ,等 : 单端反激式双输出开关电源设计lICtll5KE20CA 门 l51I7丰cIPKMUR2lOOECRr,RTN7./图 5 脉冲变压器初级箝位与输出滤波电路 Fig.5Primaryclampingandoutputfiltercircuitofpulsetransformer2磁路设计磁路部分包括高频脉冲变压器和各滤波电感等 .其中 ,脉冲变压器是现代开关电源 的核心元件 ,实际应用中主要起到能量传递 ,电压变换和

10、电气隔离的作用 .脉冲变压器的性能好坏 不仅影响变压器自身的发热和效率 ,而且还会影响到开关电源的技术性能指标及其可靠性 .在脉冲变 压器的设计和制作过程中,磁芯材料 ,磁芯和线圈结构 ,绕制工艺等必须全面考虑 l3j.2.1 脉冲变压器参数根据面积乘积法 ,按最大值选择 ,设计中脉冲变压器采用 EFD30 扁平型磁芯骨架 . 为提高绕组的利用率 ,采用多根漆包线并绕技术 ,既可以提高绕组载流量 ,也能有效减少集肤效 应影响 _4.脉冲变压器原绕组采用直径为 0.35mm的 2股漆包线并绕匝数 14圈;输出为直流 24V的次 级绕组采用直径为0.45mm的4股漆包线并绕匝数 3圈;输出直流 1

11、2V的副绕组直径为 0.35ITIITI 的 3 股漆包线并绕匝数 3 圈,偏置绕组为直径 0.35ITIITI 的单股漆包线绕 4 圈 . 经过验证 ,变压器参数满足要求 ,设计合理 .2.2 系统输入的 EMI 滤波电感和整流电路系统输入 EMI 滤波电感采用 UF10.5 骨架,设计电感量为 6.1mH_5.系统交流电源 输入与滤波 ,整流电路 ,如图 6 所示.图 6 系统交流电源输入和整流电路 Fig.6Alternatingcurrentinputofsystemandrectifiercircuit 图6中,AC-L 和AC-N 为输入的交流电压 ,范围为 85-265V;PE接

12、电源外壳,作为保 护接地线 ;R 为负温度系数热敏电阻 ,尺 ,为压敏电阻 ;C,C 为 X 系列安规电容 ;C 为 Y 系列的 安规电容 ;BR?144?辽宁科技大学第 33 卷为整流桥 ;C.为变压器直流电压输入的高频低阻电容 .3 实验结果系统满载连续工作 8h 后,功率芯片温度为 51,符合温升要求 .部分电压波形 ,如图 7 所示 .图7中,脉冲变压器二次侧输出的 24V 电压波形 ,最大值为 28V,最小值为一 60V;经过 输出整流二极管及其阻容吸收后的波形 ,最大值 25.2V,最小值 22.6V,阻容电路吸收效果较好 ;经过 输出低通滤波电路后的波形 ,最大值为 24.0V,

13、最小值为 23.4V,平均值为 23.7V,精度为 1.25%;系统 输出的 12V电压波形 ,最大值为 11.9V,最小值 11.9V.2萎2出6时 j,t/s2>1通波的 12V f: 的 I2 电波 一一 .一一一时问,t/s图 7 部分买验结果波形Fig.7Waveformsofsomeexperimentresults4 结语介绍的基于 TOP 管的宽范围交流电压输入 ,高精度直流电压输出的单端反激式隔 离变换器双输出开关电源方案 ,通过满载和交流 1.5kV 耐压试验 ,结果证实 ,设计符合要求 ,电气性 能可靠 ,可以为同类电路设计提供一定的参考和借鉴 .参考文献 :1 张

14、志薇 .具有高功率因数的多路输出反激变换器的研究D 】.哈尔滨工业大学,2006.2 王闯瑞 ,胡荣强 ,黄庆义 ,等.反激型开关电源反馈回路的改进J.通信电源技术,2005(4):4244.3 曹丰文,李冬黎 ,刘振来 .小功率反激式开关变压器的设计与制作 J.电工技术杂 志,2002(5):5456.4 coBosJA,GARCIAO,SEBASTIONJ,eta1.Ronantresetforwardtopologiesforlowou tputvoltageonboardeonve一eC/.AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,A

15、PEC94ConferenceProc eedings1994.NinthAnnml,1994:703.708.5 冯慈璋 ,马西奎 .工程电磁场导 eeM.北京:高等教育出版社 ,2003:92.126. DesignofswitchpowersupplyofsinglefeedbackwithdoubleoutputsW;Lin,D0Yan 一,LJRong-zhen,ME,GYahping.,ZHULian cheng(1.DepartmentofHighandNewTechnologyIndustrialDevelopmeritZone,AnshanPowerS upplyCompan

16、y,Anshan114051.China;2.ElectricEnergyMeasurementStation,AnshanPowerSupplyCompany,Anshan114002, China;3.DesignInstitute,AnshanPowerSupplyCompany,Anshan114002,China;4.SchoolofElectronicandInformationEngineering,UniversityofScienceandTechnology Liaoning,Anshan114051,China)Abstract:AswitchpowersupplyofsingleflybackwithdoubleoutputswithTOP246isdesign ed,whichis combinedwithself-madepulsetransformer,andappliedtothewidevoltageinputof85-265V .Theswitch powersupplyrealizesahighaccuracyfor24VDC