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

3010

20011⨯==

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ON

t 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

()ON

F L O t T

V 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 =

()max

ON F L O t T

V 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 =

2

V 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 =14

200

≈ 把式（7-25）、（7-25）整合，则变压器的匝比N 为

N =

F

L O in V V V D V ++⨯max

Im （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 ≥

S

B t V m ON in ⨯⨯max

Im ⨯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 1085

200025

.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 =

()in

L F O V N V V V Im ⨯++=()200

5.133.05.05.5⨯++≈%

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 L

V 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 ∆=

()1.24

5.55.08.14⨯+-≈μH

如此，采用电感量为μH ，流过平均电流为20A 的扼流圈。