單端反激式開關(guān)電源的控制原理

單端反激式開關(guān)電源是一種電源電路，其工作原理主要基于磁芯的單端工作。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，高頻變壓器的一次繞組儲存能量，而當(dāng)開關(guān)管截止時，二次繞組則釋放儲存的能量。這個過程使得電能得以從一次繞組通過二次繞組和整流二極管傳遞到負(fù)載。

單端反激式開關(guān)電源具有低成本、低功耗、高效率以及適用于固定負(fù)載等優(yōu)點。然而，其輸出電壓的紋波較大，且不適合處理大功率的電能。這種電源電路常用于如控制系統(tǒng)所需的輔助電源等場合。

單端反激式開關(guān)電源與單端正激式開關(guān)電源在形式上相似，但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，整流二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，變壓器儲存能量;當(dāng)開關(guān)管截止時，變壓器通過整流二極管向負(fù)載釋放能量。與單端正激式開關(guān)電源相比，單端反激式開關(guān)電源的變壓器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜且體積較大，實際應(yīng)用較少。

單端反激式開關(guān)電源的工作原理主要基于磁芯的單端工作。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，高頻變壓器的一次繞組儲存能量，而當(dāng)開關(guān)管截止時，二次繞組則釋放儲存的能量。這個過程使得電能得以從一次繞組通過二次繞組和整流二極管傳遞到負(fù)載。

單端反激式開關(guān)電源具有低成本、低功耗、高效率以及適用于固定負(fù)載等優(yōu)點。然而，其輸出電壓的紋波較大，且不適合處理大功率的電能。

考慮10W的功率以及小體積的因素，電路選用單端反激電路。單端反激電路的特點是：電路簡單、體積小巧且成本低。單端反激電路由輸入濾波電路、脈寬調(diào)制電路、功率傳遞電路(由開關(guān)管和變壓器組成)、輸出整流濾波電路、誤差檢測電路(由芯片TL431及周圍元件組成)及信號傳遞電路(由隔離光耦及電阻組成)等組成。本電源設(shè)計成表面貼裝的模塊電源，其具體參數(shù)要求如下：

輸出最大功率：10W

輸入交流電壓：85～265V

輸出直流電壓/電流：+5V，500mA;+12V，150mA;+24V，100mA

紋波電壓：≤120mV

單端反激式開關(guān)電源的控制原理

所謂單端是指TOPSwitch-II系列器件只有一個脈沖調(diào)制信號功率輸出端一漏極D。反激式則指當(dāng)功率MOSFET導(dǎo)通時，就將電能儲存在高頻變壓器的初級繞組上，僅當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，才向次級輸送電能，由于開關(guān)頻率高達(dá)100kHz，使得高頻變壓器能夠快速存儲、釋放能量，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)輸出。這也是反激式電路的基本工作原理。而反饋回路通過控制TOPSwitch器件控制端的電流來調(diào)節(jié)占空比，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片選型及介紹

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的漏極(D)與內(nèi)部功率開關(guān)器件MOSFET相連，外部通過負(fù)載電感與主電源相連，在啟動狀態(tài)下通過內(nèi)部開關(guān)式高壓電源提供內(nèi)部偏置電流，并設(shè)有電流檢測?？刂茦O(C)用于占空比控制的誤差放大器和反饋電流的輸入引腳，與內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器連接，提供正常工作時的內(nèi)部偏置電流，同時也是提供旁路、自動重起和補償功能的電容連接點。源極(S)與高壓功率回路的MOSFET的源極相連，兼做初級電路的公共點與參考點。內(nèi)部輸出極MOSFET的占空比隨控制引腳電流的增加而線性下降，控制電壓的典型值為5.7 V，極限電壓為9 V，控制端最大允許電流為100 mA。

在設(shè)計時還對閾值電壓采取了溫度補償措施，以消除因漏源導(dǎo)通電阻隨溫度變化而引起的漏極電流變化。當(dāng)芯片結(jié)溫大于135℃時，過熱保護電路就輸出高電平，關(guān)斷輸出極。此時控制電壓Vc進入滯后調(diào)節(jié)模式，Vc端波形也變成幅度為4.7V～5.7V的鋸齒波.若要重新啟動電路，需斷電后再接通電路開關(guān)，或者將Vc降至3.3V以下，再利用上電復(fù)位電路將內(nèi)部觸發(fā)器置零，使MOSFET恢復(fù)正常工作。

采用TOPSwitch-Ⅱ系列設(shè)計單片開關(guān)電源時所需外接元器件少，而且器件對電路板布局以及輸入總線瞬變的敏感性大大減少，故設(shè)計十分方便，性能穩(wěn)定，性價比更高。

對于芯片的選擇主要考慮輸入電壓和功率。由設(shè)計要求可知，輸入電壓為寬范圍輸入，輸出功率不大于10W，故選擇TOP222G。

電路設(shè)計

本開關(guān)電源的原理圖如圖1所示。

電源主電路為反激式，C1、L1、C2，接在交流電源進線端，用于濾除電網(wǎng)干擾，C5接在高壓和地之間，用于濾除高頻變壓器初、次級后和電容產(chǎn)生的共模干擾，在國際標(biāo)準(zhǔn)中被稱為"Y電容"。C1跟C5都稱作安全電容，但C1專門濾除電網(wǎng)線之間的串模干擾，被稱為"X電容"。

為承受可能從電網(wǎng)線竄入的電擊，可在交流端并聯(lián)一個標(biāo)稱電壓u1mA為275V的壓敏電阻VSR。

鑒于在功率MOSFET關(guān)斷的瞬間，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生尖峰電壓UL，另外，在原邊上會產(chǎn)生感應(yīng)反向電動勢UOR，二者疊加在直流輸入電壓上。典型的情況下，交流輸入電壓經(jīng)整流橋整流后，其最高電壓UImax=380V，UL≈165V，UOR=135V，貝UOR+UL+UOR≈680V。這就要求功率MOSFET至少能承受700V的高壓，同時還必須在漏極增加鉗位電路，用以吸收尖峰電壓，保護TOP222G中的功率MOSFET。本電源的鉗位電路由D2、D3組成。其中D2為瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)P6KE200，D3為超快恢復(fù)二極管UF4005。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，原邊電壓上端為正，下端為負(fù)，使得D3截止，鉗位電路不起作用。在MOSFET截止瞬間，原邊電壓變?yōu)橄露藶檎?，上端為?fù)，此時D1導(dǎo)通，電壓被限制在200V左右。

輸出環(huán)節(jié)設(shè)計

以+5V輸出環(huán)節(jié)為例，次級線圈上的高頻電壓經(jīng)過UF5401型100V/3A的超快恢復(fù)二極管D7，由于+5V輸出功率相對較大，于是增加了后級LC濾波器，以減少輸出紋波電壓。濾波電感L2選用被稱作"磁珠"的3.3μH穿心電感，可濾除D7在反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。

對于其他兩路輸出，只需在輸出端分別加上濾波電容。其中R3、R4分別為輸出的假負(fù)載，它們能降低各自輸出端的空載和輕載電壓。

反饋環(huán)節(jié)設(shè)計

反饋同路主要由PC817和TL431及若干電容、電阻構(gòu)成。其中U2為TL431，它為可調(diào)試精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，利用電阻R5、R6分壓獲得基準(zhǔn)電壓值。通過調(diào)節(jié)R5、R6的值可以調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓值。C8為TL431的頻率補償電容，可以提高TL43l的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。C7為軟啟動電容，取C7=22μF時可增加4ms的軟啟動時間，在加上TOP222G本身已有的10ms軟啟動時間，則總共為14ms。

U3為PC817型線性光耦合器，其電流傳輸比(CTR)范圍為80%～160%，，能夠較好地滿足反饋回路的設(shè)計要求，而目前國內(nèi)常用的4N25、4N26屬于非線性光耦合器，不宜采用。反饋繞組上產(chǎn)生的電壓經(jīng)D4、C9整流濾波，獲得非隔離式+12V輸出，為PC817接收管的集電極供電。由于反饋繞組輸出電流較小，次級采用D4硅高速開關(guān)管1N4148。光耦PC817能將+5V輸出與電網(wǎng)隔離，其發(fā)射極電流送至TOP222G的控制端，用來調(diào)節(jié)占空比。

C3為控制端旁路電容，它能對控制回路進行補償并設(shè)定自動重啟頻率。當(dāng)C3=47μF時，自動重啟頻率為1.2Hz，即每隔0.83s檢測一次調(diào)節(jié)失控故障是否已經(jīng)被排除，若確認(rèn)已被排除，就自動重啟開關(guān)電源恢復(fù)正常工作。

R2為PC817中LED的外部限流電阻。實際上除了限流保護作用外，他對控制回路的增益也具有重要影響。當(dāng)R2改變時，會依次影響到下列參數(shù)值：IF→IC→D→UO，也就相當(dāng)于改變了控制回路的電流放大倍數(shù)。

下面簡要分析一下反饋回路實現(xiàn)穩(wěn)壓的工作原理。當(dāng)輸出電壓UO發(fā)生波動且變化量為UO時，通過取樣電阻R5、R6分壓后，就使TL431的輸出電壓UK也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進而使PC817中LED的工作電流IF改變，最后通過控制端電流IC的變化量來調(diào)節(jié)占空比D，使UO產(chǎn)生相反的變化，從而抵消UO的波動。上述穩(wěn)壓過程可歸納為：

UO ↑→UK ↓→IF ↑→IC ↑→D ↓→UO↓→最終使UO不變。

其余各路輸出未加反饋，輸出電壓均由高頻變壓器的匝數(shù)來確定。

變壓器設(shè)計

變壓器的設(shè)計是整個電源設(shè)計的關(guān)鍵，它的好壞直接影響電源性能。

磁芯及骨架的確定

由于本文選用漆包線繞制，而且EE型磁芯的價格低廉，磁損耗低且適應(yīng)性強，故選擇EE22，其磁芯長度A=22mm。從廠家提供的磁芯產(chǎn)品手冊中可查得磁芯有效橫截面積SJ=0.41cm2，有效磁路長度1=3.96cm，磁芯等效電感AL=2.4μH/匝2，骨架寬度b=8.43mm。

確定最大占空比Dmax

根據(jù)公式：

其中，UOR=135V，直流輸入最小電壓值UImin=90V，MOSFET的漏-源導(dǎo)通電壓UDS(ON)=10V，代入上式得：Dmax=64.3%，接近典型值67%。Dmax隨著輸入電壓的升高而減小。

計算初級線圈中的電流

輸入電流的平均值IAVG為：

初級峰值電流IP為：

其中，KRP為初級紋波電流IR與初級峰值電流IP的比值，當(dāng)電壓為寬范圍輸入時，可取0.9。將Dmax=64.3%代入得，IP=0.518A。

確定初級繞組電感LP

其中，損耗分配系數(shù)Z=0.5，IP=0.518A，KRP=0.4，PO=10W，代入得：LP≈1265μH。

確定繞組繞制方法

并計算各繞組的匝數(shù)

初級繞組的匝數(shù)NP可以通過下式計算：

其中，磁芯截面積SJ=0.41cm2，磁芯最大磁通密度BM=60，IP=0.518A，LP≈1265μH，代入可得NP=26.6，實取30匝。

次級繞組采用堆疊式繞法，這也是變壓器生產(chǎn)廠家經(jīng)常采用的方法，其特點是由5V繞組給12V繞組提供部分匝數(shù)，而24V繞組中則包含了5V、12V的繞組和新增加的匝數(shù)。堆疊式繞法技術(shù)先進，不僅可以節(jié)省導(dǎo)線，減小線圈體積，還可以增加繞組之間的互感量，加強耦合程度。以本電源為例，當(dāng)5V輸出滿載而12V和24V輸出輕載時，由于5V繞組兼作12V、24V繞組的一部分，因此能減小這些繞組的漏感，可以避免因漏感使12V、24V輸出電路中的濾波電容被尖峰電壓充電到峰值，即產(chǎn)生所謂的峰值充電效應(yīng)，從而引起輸出電壓不穩(wěn)定。這里將5V繞組作為次級的始端。

對于多輸出高頻變壓器，各輸出繞組的匝數(shù)可以取相同的每伏匝數(shù)。每伏匝數(shù)nO可以由下式確定：

其單位是匝/VO將NS取5匝，UO1=5V，UF1=0.4V(肖特基整流管導(dǎo)通壓降)代入上式得到nO=0.925匝/V。

對于24V輸出，已知UO2=24V，UF2=0.4V，則該路輸出繞組匝數(shù)為NS2=0.925 匝/V×(24V十0.4V)=22.57匝，實取22匝。

對于12V輸出，已知UO3=12V，UF2=0.4V，則該路輸出繞組匝數(shù)為NS2=0.925匝/V ×(12V+0.4V)=11.47匝，實取11匝。

對于反饋繞組，已知UF=12V，UF3=0.7V(硅快速恢復(fù)整流二極管導(dǎo)通壓降)，則該路輸出繞組匝數(shù)為NS2=0.925匝/V×(12V+0.4V)=11.47匝，實取11匝。

確定初/次級導(dǎo)線的內(nèi)徑

首先根據(jù)初級層數(shù)d、骨架寬度b和安全邊距M，利用下式計算有效骨架寬度bE(單位是mm)：

bE=d(b-2M) (7)

將d=2，b=8.43mm，M=0代入上式可得bE=16.86mm。

利用下式計算初級導(dǎo)線的外徑(帶絕緣層)DPM：

DPM=bE/NP (8)

將bE=16.86mm，NP=78匝代人得DPM=0.31mm，扣除漆皮厚度，裸導(dǎo)線內(nèi)徑DPM=0.26mm。與直徑0.26mm接近的公制線規(guī)為0.28mm，比0.26mm略粗完全可以滿足要求，而0.25mm的公制線規(guī)稍細(xì)，不宜選用。而次級繞組選用與初級相同的導(dǎo)線，根據(jù)電流的大小，采用多股并繞的方法繞制。

試驗數(shù)據(jù)

該開關(guān)電源的輸人特性數(shù)據(jù)見表1，在u=85～245V的寬范圍內(nèi)變化時，主路輸出UO1=5V(負(fù)載為65Ω)的電壓調(diào)整率SV=±0.2%，輸出紋波電壓最大值約為67mV;輔助輸出UO2=24V(負(fù)載為250Ω)，輸出紋波電壓最大值約為98mV;輔助輸出UO3=12V(負(fù)載為100Q)，輸出紋波電壓最大值約為84mV。

FlyBack Converter又稱單端反激式轉(zhuǎn)換器，又稱返返馳式(Flyback)轉(zhuǎn)換器, 因其輸出端在原邊繞組斷開電源時獲得能量，因此得名。電子設(shè)備都是需要電源的，開關(guān)電源得到很廣泛的應(yīng)用。而對于中小功率的電源使用最廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是：反激式結(jié)構(gòu)。舉些實際應(yīng)用的例子，如筆記本電腦的適配器、手機充電器等。

優(yōu)點：

1.電路簡單，成本低，可靠性高，能提供多路直流輸出;

2.當(dāng)出入電壓波動很大時，仍能穩(wěn)定輸出，可實現(xiàn)交流輸入;

3.變壓器匝數(shù)比值較小;

4.轉(zhuǎn)換效率高，損耗小;

缺點：

1.輸出電壓紋波較大，負(fù)載調(diào)整精度不高，因此輸出功率受到限制;

2.工作在CCM模式下，有較大的直流分量，容易導(dǎo)致變壓器磁芯飽和，所以必須在此路中加入氣隙，從而造成變壓器;

3.Converter有直流分量，且同時會工作在CCM/DCM兩種不同模式，導(dǎo)致Converter的設(shè)計和環(huán)路補償?shù)脑O(shè)計比較困難;