反激式多路输出开关电源的设计

反激式多路输出开关电源的设计

宋连庆;王纪臣;宋淑淑;梁鹏飞

【摘 要】Designs a flyback switching power supply with voltage input

176~264 V and output 5 V/2 A, 15 V/0.5 A, -15 V/0.5 A, 24 V/1 A. Using a

single-chip switching power supply chip TOP245Y from PI company and

with the feedback system composed of TL431ACLP and LTV817, and using

the voltage regulator chip for auxiliary output voltage stability, so as to

realize the function of the power system. After testing, the power efficiency,

ripple and output precision can meet the design requirements.%设计了一款电压输入为176～264 V，输出为5 V/2 A、15 V/0.5 A、-15 V/0.5 A、24 V/1

A的四路反激式开关电源。采用美国PI公司生产的TOP245Y为开关电源芯片主控芯片，利用TL431ACLP、LTV817组成的反馈系统，使用稳压芯片对辅出端进行稳压，实现了电源系统的整体功能。经测试，输出精度、电源效率、纹波等均满足设计的要求。

【期刊名称】《电子设计工程》

【年(卷),期】2015(000)024

【总页数】4页(P73-75,79)

【关键词】反激式;TOP245Y;RCD钳位;稳压芯片

【作 者】宋连庆;王纪臣;宋淑淑;梁鹏飞 【作者单位】西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048;西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048;西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048;西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048

【正文语种】中 文

【中图分类】TN86

开关电源由于其体积小、重量轻和效率高等特点，在电子设备与电子信息产业中被广泛应用， 在现代电子电力技术领域有举足轻重的作用[1]。 反激式开关电源具有结构简单，工作稳定，易于控制的的特点[2]。 美国PI 公司生产的Topswitch－GX 系列单片开关电源集成芯片是将PWM 控制器、高压MOSFET、故障自动保护功能及其它控制电路集成到一个硅片上，从而可以降低系统成本，减小电源尺寸，提高开关电源设计的灵活性。

1 电源系统整体设计及原理

1.1 电路工作原理

电路结构框图如图1 所示。 此设计电压输入85 V 到265 V，主输出为5 V/2 A，辅输出为15 V/0.5 A、－15 V/0.5 A、24 V/1 A 。 TOP245Y 芯片有6 个管脚，D、S 管脚为开关管漏极和源极；F 管脚是频率控制引脚， 将F 管脚和S 管脚连接时，可以得到开关频率为132 kHz；管脚为外部流限引脚，从外部可以将流限值设定为略高于低电压工作时的满载峰值电流；管脚具有欠压和过压检测功能，并为降低输出电压频率纹波提供电压前馈；管脚是误差放大器和反馈电流的输入引脚，用于占空比的控制。 鉴于Topswitch－GX 系列芯片集成度比较高，本电源的设计主要围绕高频变压器、钳位电路、滤波电路、反馈电路，以及稳压电路进行设计。

1.2 高频变压器设计 高频变压器是反激式开关电源的核心部件， 并具有储能、隔离和变压的功能，合理的设计对开关电源的效率和控制的稳定性都有很大的影响。 本设计开关电源的最大瞬时输出功率是55 W，TOP245Y 的开关频率设定f s=132 kHz， 然后进行其他参数的计算和磁芯选择。

图1 电路结构框图Fig. 1 Circuit structure diagram

1.2.1 计算输入输出功率

1）输出功率

2）输入功率 选择电源效率参数

3）视在功率

1.2.2 初级绕组参数

1）占空比计算。 高频变压器输入直流电压的最小值V in（min）=208.86 V，次级反射到初级的反射电压V or 取110 V[3]，开关管导通时漏极和源极之间的压降V DS 根据芯片TOP245Y 参数手册可设为10 V[4]，则有：

2）初级绕组电流

初级平均电流I AVG 和峰值电流I PK 可由式（5）和式（6）计算：

其中K PR 为开关电源的电流比率， 表示初级电流脉动电流I R 与峰值电流I PK

的比例关系，即K RP=L R/I PK；当电源工作在CCM 连续工作模式时，可选取K

PR=0.6。

3）初级电流有效值I RMS：

1.2.3 磁芯的选择

高频变压器磁芯选用铁氧体制成的EC 型磁芯，EC 型磁芯具有漏感小、耦合性好、绕线方便的优点。 采用AP 法就是将磁芯窗口面积Aw 和磁芯有效截面积Ae 进行相乘，然后查磁芯规格表就可以确定磁芯的型号。 AP 法计算公式为[5]：

式中，窗口使用系数K o=0.4；波形系数K f=4；磁感应强度B w=0.3；工作频率f s=132 kHz；X 为磁芯结构常数，经查表可得铁氧体磁芯在温升25 度时，X=-0.12、Kj=366； 代入上式计算可得AP≈0.035 8 cm4。

根据磁芯手册规范，并留取一定的裕量。 考虑到开关电源次级绕组，需要的窗口面积，以及磁芯和骨架，经分析选取EER28L。 其参数AP≈0.784 cm4；P

max=80.0 w；Ae=81.40 mm2；Aw=96.3 mm2。

1.2.4 计算变压器绕组

1）初级电感的最小值

2）磁芯的气隙

根据磁芯参数表，可知EER28L， 当时L gap≈0.4 mm，A L=180 nH/N2，其中A L 为电感系数。

3）初级绕组的匝数

因此，初级绕组取N Pri=50 匝。

4）次级绕组的匝数

因此，绕组取Ns1 为2 匝，此处整流二极管压降V D=0.7 V。

由公式计算其它输出匝数，经计算可得：+27 V 绕组为10 匝，±18 V绕组为7

匝， 偏置绕组绕组+12 V取5 匝。

1.2.5 计算导线直径

由电流密度d=1.13，J=5 A/mm2 进行计算来选取相应的线径。 选取各绕组线径后，按下式计算导线的趋肤深度，如果导线线径超过趋肤深度，应选用导线截面积相近的多股线绕制。 计算公式S=2×66.1/mm，式中S 是趋肤深度，单位为mm；f 是开关频率，单位为Hz。 经计算得S=0.36 mm。 故绕组选择如表1 所示。

表1 绕组选择Tab. 1 Winding choice原边绕组 1×50T 27 V/1 A 2×10T 18

V/0.5 A 1×7T 5 V/2 A 3×2T 12 V/0.06 A 1×5T

1.3 RCD 钳位电路

由于变压器漏感的存在，反激变器在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压， 使得开关管承受较高的电压应力，甚至损坏开关管[6]。

钳位电容C 的最大峰值电压为Vc max， 下式中0.9 为降额使用系数，则

计算漏极与源极之间的电压Vds max：

计算钳位电容C 储存的能量：其中LK 为变压器的漏感，在通常情况下取LK≈3%Lpk。

同时，钳位电阻R 上消耗的能量则可由下式计算：

由钳位电路的工作原理可知，钳位电容C 上储存的能量需全部在R 上释放掉，有PR=PC，故用下式表示：

钳位电容C 的值须保证在吸收变压器初级漏感的能量时产生的脉动电压很小。 一般取脉动电压ΔVc max 为钳位电压的5%～10%，计算时取10%，则：

根据该方法可以进行初步的计算并根据实验选取合适的电阻和电容。

1.4 输出整流滤波电路

1.4.1 整流二极管

整流二极管的开关损耗是影响开关电源效率的主要因素[7]。 通常整流二极管的选择要满足以下条件：

1） 假设管子的最高反向工作电压为和绕组上最大峰值反向电压为，则：

绕组的最大峰值反向电压PIVs 可由下式定义：

2）二极管的直流电流额定值和输出绕组端的输出电流IO 要满足：ID≥3IO。

依据以上设计原则，并留有一定的安全裕量，可以选取合适的整流二极管。

二极管的反向恢复特性会造成很大的瞬态电压[8]，如果处理不好，会引起器件的击穿，问题和加大功率损耗。 为此，常在二极管上并联网络减少尖峰电压。 在实验中获得的整流二极管两端电压波形如图2，图3 所示。

图2 无吸收尖峰波形Fig. 2 No absorption peak waveform

图3 并联RC 吸收尖峰效果Fig. 3 Parallel absorption peak effect

1.4.2 滤波电容

滤波电容具有滤波和降低输出电压纹波的作用。 对输出电容的选择，（等效串联阻抗）和纹波电流是它的两个重要参数。 通常电容的选择要满足以下条件：

1）电容的额定电压值，Vc≥1.2×Vo max。 2）电容要有较低的等效串联阻抗值。

3）电容C 的绝对最小电容计算如下式，其中Tdon 为输出整流二极管的导通时间：

式中V riple（max）是输出电压纹波值，取1%V o。

4）输出电流的额定纹波电流值Ic 大于输出电容纹波电流Irac。

根据以上计算步骤，确定每路输出绕组需要使用的电解电容参数。

1.5 稳压电路

为了提高电路输出电压的可靠性和稳定性， 在输出端加上稳压管是一种很好的选择，但会产生压降的问题[9]。 为解决压降问题， 在前面变压器的没有反馈调节的输出计算中提高了电压2～3 V。 因此选用L7805CV 和L7915CV 分做±15 V 的稳压管，选用L7824CV 做24V 稳压管。 为了避免稳压管不能正常工作， 在稳压管前端输入并联稳压二极管。 选用IN4751A和IN4746A 分别做L7824CV，L7815CV 和L7915CV 稳压二极管。

1.6 反馈电路

开关电源反馈电路主要有4 种类型，本设计采用的是并联稳压器TL431ACLP 和线性光耦LTV817 组成的反馈电路。

由于对5 V 输出精度要求比较高， 选其为采样信号。若输出电压发生变化时[10]，分压电阻获取的电压就会和TL431ACLP 的内部基准电压2.5 V 进行比较，此时流过光电耦合LTV817 中的电流就会发生相应的线性变化， 会引起流过TOP245Y

控制端电流IC 变化，占空比D 和成IC 反比，通过自动调节占空比D 就可以调整电源输出电压。

2 实验结果

根据以上设计步骤， 实现了24 V/1 A、±15 V/0.5 A、5 V/2 A四路输出反激式