正激式开关电源的设计

7-3 正激式开关电源的设计 中山市技师学院 葛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！技术指标正激式开关电源的技术指标见表7-7所示。

表7-7 正激式开关电源的技术指标项 目 参 数 输入电压单相交流220V输入电压变动范围 160Vac ～235Vac输入频率 50Hz 输出电压 V O =@20A 输出功率110W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0f 选200kHz ，则301020011⨯==f T =5μs 式中，T 为周期，0f 为基本工作频率。

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max ON t 为max ON t =T ⨯max D （7-24）max D 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max D =45%。

由式（7-24），则有max ON t =5μ⨯=μs正向激励开关电源的基本电路结构如图7-25所示。

图7-25 正向激励开关电源的基本电路结构变压器匝比的计算1．次级输出电压的计算如图7-26所示，次级电压2V 与电压O V +F V +L V 的关系可以这样理解：正脉冲电压2V 与ONt 包围的矩形“等积变形”为整个周期T 的矩形，则矩形的“纵向的高”就是O V +F V +L V ，即()ONF L O t TV V V V ⨯++=2 （7-25）式中，F V 是输出二极管的导通压降，L V 是包含输出扼流圈2L 的次级绕组接线压降。

由此可见，图7-26所示A 面积等于B 面积，C 是公共面积，因此，真正加在负载上的输出电压O V 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min 2V 为min 2V =()maxON F L O t TV V V ⨯++()25.255.03.05.5⨯++==14V式中，F V 取（肖特基二极管），L V 取。

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，初、次级绕组的匝比N 为N =2V V I（7-26） 根据交流输入电压的变动范围160V ～235V ，则I V =200V ～350V ，in V Im =200V ，所以有N =m in 2Im V V in =14200≈ 把式（7-25）、（7-25）整合，则变压器的匝比N 为N =FL O in V V V D V ++⨯maxIm （7-27）变压器次级输出电压的计算变压器初级的匝数1N 与最大工作磁通密度m B （高斯）之间的关系为1N ≥SB t V m ON in ⨯⨯maxIm ⨯410 （7-28）式中，S 为磁芯的有效截面积（mm 2），m B 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，磁芯选EI-28，其有效截面积S 约为85mm 2，磁芯材料相当于TDK 的H7C4，最大工作磁通密度m B 可由图7-27查出。

图7-27 H7C4材料磁芯的B-H 特性实际使用时，磁芯温度约为100℃，需要确保m B 为线性范围，因此m B 在3000高斯以下。

但正向激励开关电源是单向励磁，设计时需要减小剩磁（磁复位）——剩磁随磁芯温度以及工作频率而改变。

此处，工作频率为200kHz ，则剩磁约减为1000高斯，即磁通密度的线性变化范围m B ∆为2000高斯。

根据式（7-28），得1N =44max Im 1085200025.220010 ⨯⨯⨯=⨯⨯∆⨯S B t V m ON in ≈匝，取整数27匝。

因此，变压器次级的匝数2N 为2N =1N /N =1N =27/=匝，取整数2匝。

当N =1N /2N =27/2=。

根据式（7-27），计算最大占空比max D 为max D =()inL F O V N V V V Im ⨯++=()2005.133.05.05.5⨯++≈%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输出电压正常，开关电源的最大占空比max D 约为%，开关管的最大导通时间max ON t 约为μs 。

下面有关参数的计算以校正后的max D （=%）和max ON t （=μs ）。

同时，由式（7-26）计算的输出最低电压min 2V 约为。

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L I ∆如图7-28所示，则L I ∆为L I ∆=()max min 2ON O F t LV V V ⨯+- （7-29）式中，L 为输出扼流圈的电感（μH ）。

图7-28 扼流圈中的电流波形这里选L I ∆为输出电流O 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L I ∆为O I 的20%进行计算。

L I ∆=O I ⨯=⨯=4A由式（7-29），求得L I ∆=()1.245.55.08.14⨯+-≈μH如此，采用电感量为μH ，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ON t 期间，2V 为幅度的正脉冲，VD 1导通期间扼流圈电流线性上升，电感励磁、磁通量增大；在OFF t 期间，2V 为幅度N V /'1的负脉冲（具体分析见下文），VD 1截止、VD 2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 I 为20A 。

稳态时，扼流圈的磁通增大量等于减小量。

图7-29 次级的电压与电流波形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r I ∆由L I ∆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%～%。

r I ∆=()1005.0~3.0O V ⨯=()10055.0~3.0⨯=15～25mV （7-30）又r I ∆=L I ∆⨯ESR （7-31）由式（7-31），求得ESR=L r I I ∆∆=425~15=～Ω 即工作频率为200kHz 时，需要选用ESR 值Ω以下的电容。

适用于高频可查电容技术资料，①ESR ，是Equivalent Series Resistance 三个单词的缩写，翻译过来就是“等效串联电阻”。

ESR 的出现导致电容的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。

例如，用8200μF/10V 的电容，其ESR 值为31mΩ，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rms C I 2为rms C I 2=32⨯∆L I =324⨯≈ （7-32）因此，每一个电容的纹波电流约为，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。

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 1导通期间变压器T 1的磁通量增大，T 1蓄积能量；VT 1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（VT 1截止时）电路中T 1上绕有恢复绕组3N ，因此VT 1截止期间，原来蓄积在变压器中的能量通过VD 4反馈到输入侧（I C 暂存）。

由于VT 1截止期间，恢复绕组3N 两端的自感电压限制为输入电压I V 的数值，惟其如此，VD 4才能把存储在3N 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'1V =31N V N I⨯ （7-33）式中，'1V 是1N 的感应电压，极性为上负下正；I V 是3N 的自感电压，极性也是上负下正（等于电源电压）。

若主开关元件的耐压为800V ，使用率为85%，即()≤+ax V V Im '1⨯=680V 。

≤'1V 680-350=330V由式（7-33），求得3N ≥'1Im 1V V N ax ⨯=33035027⨯≈匝，取整数29匝。

2．计算RCD 吸收电路的电阻与电容VT 1导通期间储存在T 1中的能量为1E =1222L t V ON I ⨯ （7-34）式中，1L 为变压器初级的电感量。

VT 1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1R 上以热量形式消耗掉。

1R 中消耗的热量为2E =12'1R T V ⨯ （7-35）因为1E =2E ，联立式（7-34）、（7-35），整理得'1V =ON I t V TL R ⨯⨯112 （7-36） 因为输入电压最高ax V Im 时开关管导通时间m in ON t 最短，把上式中的I V 换成ax V Im ，ON t 换成m in ON t ，加在VT 1上的最大峰值电压dsp V 为dsp V =ax V Im +'1V=ax V Im ⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+min 1121ON t T L R （7-37） 由此，求得1R 为1R =2min 12Im 12ON ax dsp t TL V V ⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯ （7-38） 又，当输入电压ax V Im 时，m in ON t 为m in ON t =max ON t ⨯ax in V V Im Im =⨯350200≈μs 式（7-38）中，初级的电感量1L 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A1-Value 值为5950，则A1-Value=211/N L （7-39）由式（7-39），求得1L 为1L =5950⨯21N ⨯910-=5950⨯227⨯910-≈由式（7-38），求得1R 为1R =()26632102.1105103.413506802---⨯⨯⨯⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯≈Ω 式中，加在VT 1上的最大峰值电压dsp V 取680V 。