单端反激式双输出开关电源设计

1、第33卷第2期单端反激式双输出开关电源设计王 琳1,刁嫣妲2,李荣震1,孟艳萍3,朱连成4(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T OP246的单端反激式双输出开关电源设计,结合自制的脉冲变压器,用于交流85265V 的宽电压输入,实现直流24V 2A 高精度、直流12V 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;

2、反激式变换器;反馈回路;脉冲变压器;宽电压中图分类号:T M 44 文献标识码:A 文章编号:16741048(201002 0141 04 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。本文针对反激式隔离变换器1,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85265V 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

3、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1 所示。其图1反激式变换器拓扑结构Fig.1 T opological str ucture of fly back conver ter中,+V in 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 1为输出回路的快恢复肖特基整流二极管;R 1和C 1为其阻容吸收电路;输出电路还包括由电感L 0和两个电容C 0组成的一个 型低通滤波电路;变压器初级有R r 、C r 和D r 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

4、M OS 管;N P 为初级绕组匝数,N S为次级绕组匝数;设计中变压器一次侧与二次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、滤波电路处理后,给负载R L 提供所需要的优质电压和功率。1 2 TOP 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:2009 12 20。作者简介:王琳(1978-,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。路,可以实现过压、欠压、过流

5、、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 21与R 6、C 22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 1接于交流电压整流后输出的直流电压,作为系统电压检测,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 1 1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 1 6 接变压器的初级绕组同名端。图2 T OP246管脚电路连接Fig.2 T O P246pins conne

6、ction 图3 改进型输出反馈电路F ig.3 I mproved output feedback circuit1 3 反馈回路采用具有精密电压基准的三端可编程并联稳压二极管TL431A 和线性光耦PC817B 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,流入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2。如图3所示,增加

7、C 23与R 9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,相角余量约为48 3, 系统稳定。图4 改进后的幅频和相频特性Fig.4 Improved amplitude fr equency and phase frequency characteristic1 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+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

8、滤除一定的高频干扰,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EM I 良好。脉冲变压器初级箝位与输出滤波电路,如图5所示。142 辽宁科技大学学报 第33卷 图5 脉冲变压器初级箝位与输出滤波电路Fig.5 Primary clamping and output filter cir cuit of pulse transformer2 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、电压变换和电气隔离的作用。脉冲变压器的性

9、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3。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12V 的副绕组直径为0 35mm 的3股漆包线并绕匝数3圈,偏置绕组为直径0 3

10、5mm 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EM I 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 1mH5。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F ig.6 Alternating current input of system and rectifier circuit图6中,AC L 和AC N 为输入的交流电压,范围为85265V;PE 接电源外壳,作为保护接地线;R T 为负温度系数热敏电阻,R V 为压敏电阻;C X1、C X2为X 系列安规电容;C Y 为Y 系

11、列的安规电容;BR143 第2期 王琳,等:单端反激式双输出开关电源设计为整流桥;C 1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-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,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 。图7 部分实验结果波

12、形F ig.7 W av eforms of some experiment results4 结 语介绍的基于T OP 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(4:42 44.3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(

13、5:54 56.4COBOS J A ,GARCIA O,SEBAST IO N J,et al.Reso nant reset forw ard topolog ies for low out put voltage on board convertersC .A pplied Power Electronics Confer ence and Ex position,A PEC %94Conference Pr oceedings 1994.Nint hA nnual,1994:703 708.5冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论M .北京:高等教育出版社,2003:92 126.Design

14、 of switch power supply of single feedback with double outputsWAN G L in 1,DIA O Yan da 2,LI Rong zhen 1,M EN G Yan p ing 3,ZH U L ian cheng4(1.Department of High and New Technology Industrial Development Zone,Anshan Pow er Supply Company,Anshan 114051,China;2.Electric Energy M easurem ent Station,A

15、nshan Pow er Supply Company,Anshan 114002,China;3.Desi gn Institute,Anshan Pow er Supply Com pany,Anshan 114002,China;4.S chool of Electronic and Information Engineering,U niversity of Science and T echnology Liaoning,Anshan 114051,ChinaAbstract :A sw itch pow er supply of sing le fly back w ith double outputs w ith TOP246is designed,which is combined w ith self made pulse transformer,and applied to the w ide voltage input of 85265V.The sw itch pow er supply realizes a high accuracy for 24VDC 2A and double outputs for 12VDC 1A.The results indi cate that