典型反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案

摘要：介紹了一種基于開關(guān)電源芯片F(xiàn)SDM0565R 的三相輸入、多輸出反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。分析了FSDM0565R 的特性和工作原理，并給出了它的設(shè)計(jì)電路圖、實(shí)際參數(shù)的計(jì)算及器件的選取，最后給出了該電源模塊的實(shí)測波形及測試技術(shù)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該芯片設(shè)計(jì)的開關(guān)電源具有效率高、體積小、電路簡單、輸入電壓變化范圍寬、紋波小等特點(diǎn)。同時解決了工業(yè)現(xiàn)場三相輸入的問題，具有實(shí)際的推廣價(jià)值。

0.引言

由于線性電源發(fā)熱量大，效率低（僅35%左右），體積大等缺點(diǎn)。開關(guān)電源自20 世紀(jì)以來便顯出了強(qiáng)大的生命力， 倍受學(xué)者和用戶的青睞。目前，開關(guān)電源以其高性能，高效率（75%，現(xiàn)在單片集成開關(guān)電源效率早已達(dá)到90%以上），這對解決能源問題起到推波助瀾的作用，很多節(jié)能電器的電源供給早已被開關(guān)電源取代；體積小，易于安裝，對于工業(yè)現(xiàn)場的電源供給起到了重要的作用；設(shè)計(jì)功率可選范圍大（從幾十瓦到幾千瓦都可以用開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)）。反激式開關(guān)電源相對其它類型的開關(guān)電源輸出功率小，變換電路簡單，所用元件少，適用于中小功率并提供多路直流電流輸出， 所以被大量用于控制電路和路燈節(jié)能、防盜控制箱中。本文分析了反激式開關(guān)電源工作方式并以FSDM0565 型芯片設(shè)計(jì)了一款多輸出反激式開關(guān)電源模塊，并給出了測試過程的數(shù)據(jù)和波形。

1.FSDM0565R 的主要性能特點(diǎn)和工作原理

1.1 性能特點(diǎn)

FSDM0565R 是Fairchild 半導(dǎo)體生產(chǎn)的單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)芯片，它由PWM 控制器、振蕩器、熱關(guān)斷保護(hù)電路、故障保護(hù)電路及其他控制電路集成在一個單片器件內(nèi)。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達(dá)到80%左右。具體性能如下：a、堅(jiān)固的內(nèi)部雪崩值SenseFET; b、先地的間歇工作模式（240VAC 1W 和0.5W 時的消耗）； c、精確的固定工作頻率：66KHz;d、內(nèi)部啟動電路、改進(jìn)的電流限制、過電壓保護(hù)（OVP）、過載保護(hù)（OLP）、內(nèi)部熱關(guān)斷功能（TSD）、異常過電流保護(hù)（AOCP）、自動重啟模式、欠壓鎖定（UVLO）等。

1.2 FSDM0565R 的工作原理

FSDM0565R 主要包括以下幾部分：（1）啟動：在啟動時，內(nèi)部的高電壓電流源提供了內(nèi)部的偏壓， 并為連接Vcc 腳的外部的電容（CVCC）充電。當(dāng)Vcc 達(dá)到12V 時，F(xiàn)PSTM 開始開關(guān)動作，此時內(nèi)部的高電壓電流源就消失。（2）反饋控制：開關(guān)電源的反饋控制有電壓控制和電流控制兩種方式，F(xiàn)SDM0565R 采用電流反饋控制方式。由一個光耦（如H11A817A）和一個分壓調(diào)整器（如KA431）組成一個典型的反饋網(wǎng)絡(luò)。在此需要強(qiáng)調(diào)在電路紋波調(diào)試時可能會出現(xiàn)紋波不對的情況，這很可能是由于反饋回路有問題，這時檢查電路時需要測量反饋回路的波形對比光耦兩邊的頻率是否一致。本人在設(shè)計(jì)時就由于成本問題，選用了低成本的低速光耦（NEC2501-1），導(dǎo)致了輸出頻率不夠從而達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)。所以選用光耦時要根據(jù)開關(guān)電源的頻率來選。（3） 保護(hù)電路：FSDM0565R 內(nèi)部集成了許多自我保護(hù)功能的電路，比如過載保護(hù)（OLP），過流保護(hù)（AOCP），過電壓保護(hù)（OVP）和過熱關(guān)斷（TSD）。具體指標(biāo)詳見本芯片的技術(shù)手冊。（4）軟啟動：FSDM0565R 內(nèi)部集成了軟啟動電路，當(dāng)電路啟動時，增加了PWM 比較器的反向輸入電壓和FET 的電流。通常的軟啟動時間是10 毫秒，提供給開關(guān)管的脈寬寬度逐步增加，以給高頻變壓器、電感器、電容器提供正確的工作工況。輸出電容也在啟動時充電，延緩了電壓的突變，從而不會使變壓器工作在飽和狀態(tài)，也減少了對輸出變頻二極管的沖擊。（5）突發(fā)模式：FSDM0565R 存在兩種模式，正常的66KHZ 模式和突發(fā)模式。為了減少在待機(jī)時的損耗，F(xiàn)SDM0565R 設(shè)有突發(fā)模式。當(dāng)負(fù)載突然減少時，反饋電路的電流突然下降，這樣FSDM0565R 就會進(jìn)入突發(fā)模式。

此時反饋電壓就會降到VBURL（500mV），這時開關(guān)管停止工作，輸出電壓依據(jù)待機(jī)負(fù)載開始下降到一定值。然后反饋電壓又會上升，它又會超過VBURH（700mV）的開關(guān)消耗，這兩種情況反復(fù)進(jìn)行。

2.模塊系統(tǒng)組成和參數(shù)設(shè)計(jì)

圖1 是用FSDM0565R 芯片設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源模塊，輸入電壓的范圍為85VAC~265VAC， 輸出功率為45W， 輸出直流電壓分三組：+5V（0.1A）、+12V（0.2A）、+13.8V（2A）。一個開關(guān)電源的設(shè)計(jì)主要是外圍電路的設(shè)計(jì)，分為：輸入整流濾波電路、高頻變壓器、鉗位保護(hù)電路、欠過壓保護(hù)電路、外部限流保護(hù)電路、輸出整流濾波電路以及反饋電路幾部分組成。如圖1 所示。

2.1 輸入電路設(shè)計(jì)

輸入電路包括啟動電流電路保護(hù)、過電流保護(hù)、防雷設(shè)計(jì)、EMI 濾波設(shè)計(jì)、整流橋和整流濾波設(shè)計(jì)。

由于電容器在瞬態(tài)時可以看成是短路，當(dāng)開關(guān)電源上電時，會產(chǎn)生非常大的沖擊電流，幅度要比穩(wěn)態(tài)工作電流大很多（從幾十到幾百安培），如對沖擊電流不加以限制，不但會燒壞保險(xiǎn)絲，燒毀插件，降低器件的工作壽命，還會由于共同輸入阻抗而干擾附近的電器設(shè)備。有效的防止方法有串連電阻法、熱敏電阻法、有源沖擊電流限制法等。本電路采用普遍的熱敏電阻法。在選用熱敏電阻的時候根據(jù)具體電路進(jìn)行選擇，本設(shè)計(jì)采用NTC8D210.過電流電路保護(hù)初級電路最高通過電流為2A.防雷采用4 級設(shè)計(jì)，選用壓敏電阻681KD20.EMI 濾波電路由電容、共模電感和電阻組成。整流橋采用全波整流電路，如圖1 中HER208 所示。由于三相全波整流的電壓有700 多伏（實(shí)測702V），所以整流濾波電路采用CD11-400V-100μf±20%兩個電容串聯(lián)的方法。

2.2 輸出電路設(shè)計(jì)

根據(jù)負(fù)載對輸出電壓紋波的要求，采用不同的輸出電路設(shè)計(jì)。如圖1 中的5V1+、12V+、13.8V+和5V2+.因?yàn)樽儔浩鳛楦哳l變壓器，反射電流會很大， 此時必需在輸出整流二極管處并聯(lián)阻容串聯(lián)電路，這樣即減少了輸出電壓的紋波，也延長了二極管的壽命。二極管采用恢復(fù)時間較短的如肖特基二極管，最大反向恢復(fù)時間為50ns.輸出濾波電感選擇時，根據(jù)反激式開關(guān)電源輸出濾波電感計(jì)算公式選擇，考濾磁飽和問題，最好選用鐵氧體的磁棒。LM2596-5.0 為DC-DC 變換器，以提供5V2+的電壓。

2.3 反饋電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的典型反饋電路如圖2 所示：

圖2 反饋電路。

本設(shè)計(jì)采用兩個光耦給成：E1 為過電壓保護(hù)電路，E2 組成電壓反饋電路，R14、R15 組成采樣電阻。關(guān)于各電阻器阻值的確定如下。本電路反饋來自13.8V+，R14 采樣電壓來自13.8V 電感后側(cè)， 而R12 上端接在電感器前面。R14 的確定：要確定R14 首先要確定R15.R15 的值不是任意取的， 要考慮兩個因素：（1）TL431 參考輸入端的電流，一般此電流為2uA 左右，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R15 的電流為參考段的100 倍以上，所以此電阻要小于2.5V/200uA=12.5K.（2）待機(jī)功耗的要求，如有此要求，在滿足小于12.5K 的情況下盡量取大值。在這取R15 為可調(diào)的5K 變阻器，再根據(jù)分壓定律算出R14 取18K.

TL431 要求有1mA 的工作電流， 也就是在R11 的電流接近于零時，也要保證TL431 有1mA 的電流，所以R12《=1.2V/1mA=1.2K 即可。

除此以外也是功耗方面的考慮。R11 的取值要保證FSDM 控制端取得所需要的電流，用H11817A 時，其CTR=2-4，取低限2，要求流過光二極管能承受最大電流=6/2=3mA， 所以R11《=（14.4-2.5-1.2）/3=3.56K，光二極管能承受的最大電流在50mA 左右，TL431 為100mA， 所以我們?nèi)×鬟^R11 的最大電流為50mA，R11》（14.4-2.5-1.2）/50=214 歐姆。

同時滿足以上兩個條件，在這里我們?nèi)?K.

R13、C26 形成一個在原點(diǎn)的極點(diǎn)，用于提升低頻增益，來壓制低頻（100Hz）紋波和提高輸出調(diào)整率，即靜態(tài)誤差， R13、C26 形成一個零點(diǎn)，來提升相位，要放在帶寬頻率的前面來增加相位裕度，具體位置要看其余功率部分在設(shè)計(jì)帶寬處的相位是多少， R13、C26 的頻率越低，其提升的相位越高，當(dāng)然最大只有90 度，但其頻率很低時低頻增益也會減低，一般放在帶寬的1/5 初，約提升相位78 度。

2.4 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器作為開關(guān)電源的心臟，它的設(shè)計(jì)尤為重要，它將占用整個設(shè)計(jì)的大部分時間，設(shè)計(jì)過程請參閱文獻(xiàn)1 中反激式開關(guān)電源磁性元件的設(shè)計(jì)。由于篇幅的限制，在這只提供本設(shè)計(jì)的變壓器，參數(shù)如下：

（1）磁芯骨架：立式EC2828，12 腳（腳距5mm，排距25mm）。

（2）磁芯材料：EC2828， 盱胎歐歌，AL=2710nH/N2（± 25%）。

（3）變壓器初級電感量（變壓器1 腳和2 腳之間）：LNp=0.5~1.0mH.

（4）絕緣要求： Np、Nf 對Ns1 和Ns2 耐壓3kVAC 60S 、1mA 漏電流。

（5）繞制順序及規(guī)格為：首先繞原編二分之一（φ0.3*2）、5V2（φ1）、12V（φ0.3）、5V1（φ0.3）、原編另外二分之一（φ0.3*2）、反饋繞組（φ0.3）。G隙寬：中心磁柱間距：0.373452mm.

注意事項(xiàng)：每個繞組均勻繞在骨架中間，每繞完一個繞組包2mm厚的絕緣膠帶。

3.樣板試驗(yàn)測量結(jié)果

3.1 各電壓紋波測量結(jié)果

開關(guān)電源紋波的測量基本要求為： 使用示波器AC 耦合，20MHZ帶寬限制， 拔掉控頭的地線， 以測到準(zhǔn)確的波形， 在本電源板中，對5V2+的要求比較嚴(yán)格，要嚴(yán)格控制它的紋波，以下測得當(dāng)加2.5 歐姆電阻（80%負(fù)載）時測得紋波為空載的兩倍，如下圖3 所示。

圖3 5V2+80%負(fù)載時波形圖。

3.2 電磁兼容實(shí)驗(yàn)

當(dāng)檢測紋波通過時考慮到現(xiàn)場環(huán)境問題，還得分別做電磁兼容實(shí)驗(yàn)和環(huán)境實(shí)驗(yàn)，電磁兼容實(shí)驗(yàn)包括：浪涌、快速脈沖群和靜電抗擾。在本次測試中開關(guān)電源主板裝入某一終端進(jìn)行測試。差模打±2000V，共模打±4000V.具體方法參照國家電磁兼容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4.結(jié)論

反激式開關(guān)電源比起線性電源和其他類型的開關(guān)電源，具有紋波大的特點(diǎn)。但通過輔助電路可以減少它的輸出紋波。以FSDM0565R 為核心設(shè)計(jì)的多輸入多輸出反激式開關(guān)電源，不但有體積小、效率高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)， 而且在電磁兼容和高溫測試中都表現(xiàn)出了很好的性能，取得了很好的性能，但本次設(shè)計(jì)和測試到投入生產(chǎn)經(jīng)過了兩個月的時間，所以本人也在做一個開關(guān)電源的仿真，通過仿真和模塊化可以大大減少研發(fā)周期和成本。