單端反激式雙輸出開關(guān)電源設(shè)計

1、第33卷第2期單端反激式雙輸出開關(guān)電源設(shè)計王 琳1,刁嫣妲2,李榮震1,孟艷萍3,朱連成4(1.鞍山供電公司高新技術(shù)開發(fā)區(qū)供電分公司,遼寧鞍山 114051;2.鞍山供電公司電能計量所,遼寧鞍山 114002;3.鞍山供電公司設(shè)計院,遼寧鞍山 114002;4.遼寧科技大學電子與信息工程學院,遼寧鞍山 114051摘 要:介紹了一種基于T OP246的單端反激式雙輸出開關(guān)電源設(shè)計,結(jié)合自制的脈沖變壓器,用于交流85265V 的寬電壓輸入,實現(xiàn)直流24V 2A 高精度、直流12V 1A 雙輸出。實驗證明,設(shè)計在實際電路中表現(xiàn)出良好的電氣特性,可以為相關(guān)設(shè)計提供較好的參考和借鑒。關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;

2、反激式變換器;反饋回路;脈沖變壓器;寬電壓中圖分類號:T M 44 文獻標識碼:A 文章編號:16741048(201002 0141 04 開關(guān)電源是現(xiàn)代化機電產(chǎn)品中常用的供電裝置,可以不受各個國家交流電網(wǎng)的限制,廣泛應用在相關(guān)的設(shè)備中,其效能高低直接關(guān)系到機電設(shè)備的性能。開關(guān)電源設(shè)計主要包含電路設(shè)計和磁路設(shè)計。本文針對反激式隔離變換器1,給出基于TOP 管的開關(guān)電源設(shè)計方案,并具體設(shè)計出一個可用于交流85265V 寬電壓輸入和直流24V 2A 、直流12V 1A 雙輸出的單端反激式開關(guān)電源。設(shè)計采用相位補償技術(shù),提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,增加抗干擾能力。通過實驗驗證了設(shè)計的正確性和可行性。1 電路設(shè)

3、計1 1 基本原理反激式隔離變換器是中小功率開關(guān)電源最為常用的變換器之一,其典型拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其圖1反激式變換器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 T opological str ucture of fly back conver ter中,+V in 為整流后的輸入電壓;T 為脈沖變壓器,設(shè)計中還應有回路控制的偏置繞組;D 1為輸出回路的快恢復肖特基整流二極管;R 1和C 1為其阻容吸收電路;輸出電路還包括由電感L 0和兩個電容C 0組成的一個 型低通濾波電路;變壓器初級有R r 、C r 和D r 組成的RCD 漏感尖峰吸收電路;Q 為控制脈沖變壓器一次繞組導通和截止的反激式變換器所需的開關(guān)功率

4、M OS 管;N P 為初級繞組匝數(shù),N S為次級繞組匝數(shù);設(shè)計中變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的地信號采用安規(guī)電容隔離; !表示同名端。在反激式變換器中,功率開關(guān)管將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變成一些列的方波信號施加于脈沖變壓器初級繞組上,通過脈沖變壓器的電磁能量轉(zhuǎn)換與傳遞,經(jīng)過整流二極管、濾波電路處理后,給負載R L 提供所需要的優(yōu)質(zhì)電壓和功率。1 2 TOP 管輔助電路采用內(nèi)部集成功率MOS 管的TOP246作為開關(guān)控制器件,額定負載功率為90W,再加以外圍電收稿日期:2009 12 20。作者簡介:王琳(1978-,男,遼寧鞍山人,工程師,主要從事電網(wǎng)調(diào)度及電源優(yōu)化的研究工作。路,可以實現(xiàn)過壓、欠壓、過流

5、、過熱等保護功能。實際使用的TOP 管電路連接,如圖2所示。圖2中,C 21與R 6、C 22組成低通濾波和穩(wěn)壓電路,可以有效濾除TOP246管腳1受到的干擾信號。R 1接于交流電壓整流后輸出的直流電壓,作為系統(tǒng)電壓檢測,當系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓或欠電壓時,TOP246管將自動封鎖脈沖輸出,禁止脈沖變壓器工作。U 1 1引腳用來作為變壓器的偏置繞組輸入端,與內(nèi)部集成的MOS 管管腳6配合,反向控制PWM 輸出占空比,即管腳1流入的電流越大,管腳6輸出的PWM 占空比越小;反之,則越大。U 1 6 接變壓器的初級繞組同名端。圖2 T OP246管腳電路連接Fig.2 T O P246pins conne

6、ction 圖3 改進型輸出反饋電路F ig.3 I mproved output feedback circuit1 3 反饋回路采用具有精密電壓基準的三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管TL431A 和線性光耦PC817B 構(gòu)成系統(tǒng)的反饋控制回路,利用偏置繞組,控制TOP 管的占空比,實現(xiàn)反激式變換器輸出電壓的精準控制。TL431A 檢測輸出的電壓(+24V越大,經(jīng)過線性光耦PC817B 變換,流入TOP 管腳1的電流越大,TOP 管控制內(nèi)部MOS 管導通和關(guān)斷的占空比與輸入1腳的電流成反比,使輸出電壓降低,維持了輸出電壓的穩(wěn)定;反之亦然。為了提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性,設(shè)計采用相位補償技術(shù)2。如圖3所示,增加

7、C 23與R 9后,提高了系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度。改進后系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性如圖4所示。系統(tǒng)的穿越頻率約為2 58kHz,相角余量約為48 3, 系統(tǒng)穩(wěn)定。圖4 改進后的幅頻和相頻特性Fig.4 Improved amplitude fr equency and phase frequency characteristic1 4 脈沖變壓器箝位吸收保護電路如圖5中虛線框所示,采用Z+RCD 帶浪涌保護的漏感尖峰吸收電路,將MOS 管的電壓箝位在175V 以內(nèi),防止電壓過高擊穿MOS 管。1 5 輸出濾波電路為了確保系統(tǒng)輸出電壓紋波較小,設(shè)計采取了相應濾波去噪技術(shù)。采用LC 構(gòu)成低通濾波器

8、濾除一定的高頻干擾,濾波電容可按1000 F A 經(jīng)驗值選擇容量。同時,輸出采用效抑制共模和差模干擾的電感還可以避免系統(tǒng)對其他電路和電氣設(shè)備的干擾。實驗調(diào)試后的EM I 良好。脈沖變壓器初級箝位與輸出濾波電路,如圖5所示。142 遼寧科技大學學報 第33卷 圖5 脈沖變壓器初級箝位與輸出濾波電路Fig.5 Primary clamping and output filter cir cuit of pulse transformer2 磁路設(shè)計磁路部分包括高頻脈沖變壓器和各濾波電感等。其中,脈沖變壓器是現(xiàn)代開關(guān)電源的核心元件,實際應用中主要起到能量傳遞、電壓變換和電氣隔離的作用。脈沖變壓器的性

9、能好壞,不僅影響變壓器自身的發(fā)熱和效率,而且還會影響到開關(guān)電源的技術(shù)性能指標及其可靠性。在脈沖變壓器的設(shè)計和制作過程中,磁芯材料、磁芯和線圈結(jié)構(gòu)、繞制工藝等必須全面考慮3。2 1 脈沖變壓器參數(shù)根據(jù)面積乘積法,按最大值選擇,設(shè)計中脈沖變壓器采用EFD30扁平型磁芯骨架。為提高繞組的利用率,采用多根漆包線并繞技術(shù),既可以提高繞組載流量,也能有效減少集膚效應影響4。脈沖變壓器原繞組采用直徑為0 35mm 的2股漆包線并繞匝數(shù)14圈;輸出為直流24V 的次級繞組采用直徑為0 45mm 的4股漆包線并繞匝數(shù)3圈;輸出直流12V 的副繞組直徑為0 35mm 的3股漆包線并繞匝數(shù)3圈,偏置繞組為直徑0 3

10、5mm 的單股漆包線繞4圈。經(jīng)過驗證,變壓器參數(shù)滿足要求,設(shè)計合理。2 2 系統(tǒng)輸入的EM I 濾波電感和整流電路系統(tǒng)輸入EMI 濾波電感采用UF10.5骨架,設(shè)計電感量為6 1mH5。系統(tǒng)交流電源輸入與濾波、整流電路,如圖6 所示。圖6 系統(tǒng)交流電源輸入和整流電路F ig.6 Alternating current input of system and rectifier circuit圖6中,AC L 和AC N 為輸入的交流電壓,范圍為85265V;PE 接電源外殼,作為保護接地線;R T 為負溫度系數(shù)熱敏電阻,R V 為壓敏電阻;C X1、C X2為X 系列安規(guī)電容;C Y 為Y 系

11、列的安規(guī)電容;BR143 第2期 王琳,等:單端反激式雙輸出開關(guān)電源設(shè)計為整流橋;C 1為變壓器直流電壓輸入的高頻低阻電容。3 實驗結(jié)果系統(tǒng)滿載連續(xù)工作8h 后,功率芯片溫度為51#,符合溫升要求。部分電壓波形,如圖7所示。圖7中,脈沖變壓器二次側(cè)輸出的24V 電壓波形,最大值為28V,最小值為-60V;經(jīng)過輸出整流二極管及其阻容吸收后的波形,最大值25 2V,最小值22 6V,阻容電路吸收效果較好;經(jīng)過輸出低通濾波電路后的波形,最大值為24 0V,最小值為23 4V,平均值為23 7V,精度為1 25%;系統(tǒng)輸出的12V 電壓波形,最大值為11 9V,最小值11 9V 。圖7 部分實驗結(jié)果波

12、形F ig.7 W av eforms of some experiment results4 結(jié) 語介紹的基于T OP 管的寬范圍交流電壓輸入、高精度直流電壓輸出的單端反激式隔離變換器雙輸出開關(guān)電源方案,通過滿載和交流1 5kV 耐壓試驗,結(jié)果證實,設(shè)計符合要求,電氣性能可靠,可以為同類電路設(shè)計提供一定的參考和借鑒。參考文獻:1張志薇.具有高功率因數(shù)的多路輸出反激變換器的研究D.哈爾濱工業(yè)大學,2006.2王闖瑞,胡榮強,黃慶義,等.反激型開關(guān)電源反饋回路的改進J.通信電源技術(shù),2005(4:42 44.3曹豐文,李冬黎,劉振來.小功率反激式開關(guān)變壓器的設(shè)計與制作J.電工技術(shù)雜志,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馮慈璋,馬西奎.工程電磁場導論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