正激式开关电源的设计讲解

7-3正激式开关电源的设计中山市技师学院曷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20〜100W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50〜250W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。

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f o选200kHz，则1 1T = 一 = ---------- 3 =5(isf0 200 "O3式中，T为周期，f0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t O N m ax为t oNmax=T D max ( 7-24)D max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D max =45%。

由式(7-24),则有电压V O更小。

图7-26 “等积变形”示意图根据式（7-25）,次级最低输出电压V2min为V2 minV O V L V F Tt oN max0.5 5=I4V 2.25式中，V F取0.5V （肖特基二极管），V L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, 绕组的匝比N为V2根据交流输入电压的变动范围160V〜235V，则V I =200V〜350V, V|min=200V ,N =V|min= 200~ 14.3V2 min 14把式（7-25）、（7-25）整合，则变压器的匝比N为V im in D maxN =V O V L V F7.3.5变压器次级输出电压的计算变压器初级的匝数N!与最大工作磁通密度B m （高斯）之间的关系为max V|minB m S 104初、次级(7-26)所以有(7-27)(7-28)式中，S为磁芯的有效截面积（mm2）, B m为最大工作磁通密度。

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，磁实际使用时，磁芯温度约为100C，需要确保B m为线性范围，因此B m在3000高斯以下。

但正向激励开关电源是单向励磁, 频率而改变。

此处，工作频率为设计时需要减小剩磁（磁复位）一一剩磁随磁芯温度以及工作200kHz，则剩磁约减为1000高斯，即磁通密度的线性变化范围根据式（7-28），得Im in t ON max 410 = 200 2.25 104疋 26.5 匝，取整数27 匝。

2000 85因此，变压器次级的匝数N2为200输出电压正常，开关电源的最大占空比芯选EI-28 ,其有效截面积S约为85mm2,磁芯材料相当于TDK的H7C4 ,最大工作磁通密度B m可由图7-27查出。

N2= N = 口=27/14.3=1.9 匝，取整数2 匝。

当N = N1/N2=27/2=13.5。

根据式（7-27），计算最大占空比D max为Sax = 2。

W F +V»N=(5.5+0.5+0.3)M3.5 #42.5%VImin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D max约为42.5%，开关管的最大导通时间t ON max约为2.1 ys下面有关参数的计算以校正后的D max （=42.5% ）和t oN max （=2.1⑴。

同时，由式（7-26 ）计算的输出最低电压V2min约为14.8V。

tON max （7-29）式中，L为输出扼流圈的电感（□ H）7.3.6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I L如图7-28所示，则.'I L为这里选.I L为输出电流I。

（=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I L为I O的20%进行计算。

I L=I O 0.2=20 0.2=4A由式（7-29），求得A1 14.8 -（0.5+5.5）Ah = --------- ----------- x 2 1 ~4.6 □H4 '如此，采用电感量为 4.6 □H,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7-29所示。

在t O N期间，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t OFF期间, V2为幅度V；/N的负脉冲（具体分析见下文），VD!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|O为20A。

稳态时，扼流圈的磁通增大量等于减小量。

(7-30)(7-31)等效串联电阻”。

ESR 的出现导致电容的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.J r 由.訂L 以及输出电容的等效串联电阻 ESR ①确定，但输出纹波一般为输出电压的0.3%〜0.5%。

（0.3 ~ 0.5 化 （0.3~ 0.5/5 15 25 V -1 r = ==15 〜25mV100 100又己l r = A l L 汇 ESR由式（7-31）,求得△l r 15~25ESR= —L =----------- =3.75 〜6.25m Q△I L 4即工作频率为200kHz 时，需要选用ESR 值6.25m Q 以下的电容。

适用于高频可查电容技术 资料，例如，用8200卩F/10V 的电容，其ESR 值为31m Q ，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I c2rms 为A |. 4 l C2rms = ------- = ---------厂 心 1.16A（ 7-32）2 .3 2.3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、电流上升下降时间、输出扼流圈的电感量，使电压稳定的 环路的增益等，它们可能使电容特性改变。

ESR ,是Equivalent Series Resistance 三个单词的缩写，翻译过来就是 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7.3.7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。

VT i导通期间变压器T i的磁通量增大，T i蓄积能量；VT i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T i上绕有恢复绕组N3，因此VT i截止期间，原来蓄积在变压器中的能量通过VD4反馈到输入侧（C|暂存）。

由于VT i截止期间，恢复绕组N3两端的自感电压限制为输入电压V I的数值，惟其如此，VD 4才能把存储在N3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'NMV]V i= N31 （7-33）式中，V,'是N i的感应电压，极性为上负下正；V|是N3的自感电压，极性也是上负下正（等于电源电压）。

若主开关兀件的耐压为800V，使用率为85%，即V|max-800 0.85=680V。

V i ^680-350=330V由式（7-33），求得N V 27 350N27 350疋 28.6 匝，取整数29 匝。

V330 2 .计算RCD吸收电路的电阻与电容式中，L i 为变压器初级的电感量。

(7-34)VT i 截止期间，初级感应电压使VD 3导通，磁场能转化为电场能，在R|上以热量形式消耗掉。

R 中消耗的热量为E 2 = 7； T R i(7-35)IV dsp =V Im ax + Vi = VIm axR iit oN min\ 2 L i T(7-37)VIm axt ON min(7-38)叫®s350(7-39)VT i 导通期间储存在T i 中的能量为因为E i = E 2，联立式（7-34）、（ 7-35），整理得(7-36)因为输入电压最高 V imax 时开关管导通时间t oN min 最短，把上式中的V 换成V imax ，t °N 换成t oN min ，加在VT i 上的最大峰值电压 V dsp 为由此，求得R i 为又，当输入电压V Imax 时，t oN min 为t oN min = t oN max ~=2.iVIm ax式（7-38）中，初级的电感量 L i 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Ai-Value 值为5950,则2Ai-Value= L i /N i1 350 4.3 10" 5 10"(l.^l^6 2〜28.2k QN3中，开关断开N1 V I N3由式（7-39）,求得J为^=5950 N；10^=5950 27210-9~ 4.3mH由式（7-38）,求得R为式中，加在VT 1上的最大峰值电压V dsp取680V。

时间常数R1C1比周期T要大的多，一般取10倍左右，则T 5x10》G=10 —= 10 3〜1773pFR 28.2 103 .计算主绕组感应电压当V max=350V，根据式（7-33），得'27 350V = 一〜325V29阅读资料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t O N即将结束时初级绕组的励磁电流丨1为V I t ON / L-1。

开关断开时，变压器需要消磁，恢复二极管VD3和绕组N3就是为此而设，励磁能量通过它们反馈到输入侧。

若绕组N1中蓄积的能量全部转移到绕组瞬间“安•匝相等”原理仍然成立，则绕组N3的励磁电流I3为N1N3把t ON/L1代入上式，得又，绕组N3的励磁电感与绕组N1的励磁电感的关系为N 3L 1 也-N 3V, 1L 1t ONV I比如，本例中 N 1 =27， N 3=29，D <N 1N 1N 3N 1 N 1 N 3=2727 29~ 0.482 —D max (=0.425)。