多路输出单端反激电源的设计

２０１４年１月２５日第３１卷第１期　通馋电．潦菽】Ｉ：　

Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．２５，２０１　４，Ｖｏ１．３　１　Ｎｏ．１　

文章编号：１（）０９—３６６４（２０１４）０１—０００１—０４　

多路输出单端反激电源的设计　研种开发ｌｌ　

陈城，黄辉，王金宝，闰永昶，董圆圆　（北京交通大学电气工程学院，北京１０００４４）　

摘要：设计了一种基于Ｕ（２８４４的多路输出单端反激电源，给出了该电源的具体设计步骤和详细的设计参数及高频变压器　的设计方法。实验结果表明了此方法设计的开关电源可以解决工程中的实际需要，是一种性能良好的开关电源。　关键词：开关电源；单端反激；双环控制；高频变压器　中图分类号：ＴＮ８６　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ—Ｏｕｔｐｕｔ　Ｓｉｎｇｌｅ－Ｅｎｄｅｄ　Ｆｌｙｂａｃｋ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　

ＣＨＥＮ　Ｃｈｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｈｕｉ，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎ－ｂａｏ，ＹＡＮ　Ｙｏｎｇ－ｃｈａｎｇ，ＩＸ）ＮＧ　Ｙｕａｎ－ｙｕａｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１（）（）（）４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｍｕｌｔｉ—ｏｕｔｐｕｔ　ｓｉｎｇｌｅ－ｅｎｄｅｄ　ｆｌｙｂａｃｋ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＵＣ２８４４．Ｉｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈｅ　ｓｐｅ—　ｃｉｆｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｔｅｐｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｗｅｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ｓｉｎｇｌｅ－ｅｎｄｅｄ　ｆｌｙｂａｃｋ；ｄｕａｌ－ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　

０　引　言　

开关电源是电力电子设备中不可缺少的部分。随　着功率开关管技术的发展，开关电源的设计趋向于小　型化、高频化。相比较传统的线性串联稳压电源，单端　

反激式开关电源具有输出纹波小、效率高等突出特点，　尤其适用于中小功率的开关电源。为了达到良好的线　

性调整率和快速的输入输出动态响应，适应工程应用　中低成本高性能的设计要求，本文设计了一种基于　ＵＣ２８４４的单端反激式开关电源ｌ＿１ｊ。　

１　单端反激式开关电源的基本原理　

单端反激式变换器的电路主要由输人整流滤波电　路、功率变换电路、输出整流滤波电路等部分组成。单　端反激电路的基本工作原理如图１所示，功率开关管　

Ｑ　高电平时导通，低电平时关断。将经过整流的直流　输入电压接在变压器原边Ｌ　上，当ＰＷＭ信号驱动　Ｑ　开通时，输入电压通过高频变压器在副边感应出上　

负下正的感应电压，整流管Ｄ　反向截止，此时通过电　感储存电能，没有能量传递给负载。当开关管Ｑ　截止　

时，原副边绕组上的电压极性反转，整流管Ｄ．正向偏　置导通，变压器中储存的磁能又转化为电能向副边释　

收稿日期：２０１３－０８—２０　作者简介：陈城（１９９（）一），男，内蒙古包头市人，北京交通大学　电气工程学院硕士研究生，研究方向为开关电源及电磁场仿真　与计算。　黄辉（１９７３一），女，陕西人，北京交通大学电气工程学院副教　授，研究方向为电磁场的仿真与计算。　放。其中高频变压器在Ｑ，开通时起电感储能作用，也　起到了变压隔离的作用。对于单端反激式变换器应用　中比较突出的磁芯磁复位问题通常用加气隙来解决，　

既能将输出波纹有效降低还能将开关频率进一步提　高　。　

Ｄ　

图１　单端反激式变换器简图　

图２为开关电源的基本原理示意图。系统主要由　

单端反激式变换电路和ＰＷＭ控制电路两部分组成，　设计的目的是将输入的交流电经过整流滤波后的直流　

电压转换成±１５　Ｖ和５　Ｖ三路输出，实现对负载供电。　控制思路是：在电压反馈的大闭环中，加入电流反馈部　分参与动态调节，形成双环控制［３］。具体实现步骤是：　

采集电压电流信号，通过ＰＷＭ控制器控制开关管的　通断，进而调节变换器中的峰值电流，从而改变输出电　压直至符合设计要求。系统采用了电压电流双闭环控　

制，当电路正常工作时，反馈绕组对ＵＣ２８４４进行供　

电，同时反馈电压经过分压电阻送人ＵＣ２８４４，与基准　电压比较后再经误差放大器放大，输出信号再与电流　

反馈环的反馈信号比较，进而调节占空比，保持输出电　

压的稳定。采用这种控制方式可以解决电源在实际应　

用中面临的负载电流变化率较高的情况，提高了系统　

的动态响应速度。

　２０１４年１月２５日第３１卷第１期　通传电潦技术　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．２５，２０１４，ＶｏＩ．３１　Ｎｏ．１　

图２系统结构示意图　

２多路输出单端反激式开关电源的设计　

多路输出单端反激式开关电源设计的性能要求如　

下：　

输入电压：ＡＣ９０￣２４０　Ｖ，５０　Ｈｚ。　输出：ＤＣ＋５　Ｖ，额定电流３　Ａ，最小电流０．７５　Ａ；　１７）（２＋１５　Ｖ，额定电流１　Ａ，最小电流１（）（）ｍＡ；　

ＤＣ一１５　Ｖ，额定电流１　Ａ，最小电流１００　ｍＡ；　ＤＣ＋５　Ｖ，偏置电流０．１　Ａ。　效率：Ｔ）＝８０　。　

工作频率：ｆ＝５０　ｋＨｚ。　工作磁通密度：Ｂ　＝２　００（／Ｇ。　基于电源低成本高稳定性的目的，结合实际应用　

环境，最终选取了Ｕｎｉｔｒｏｄｅ公司生产的电流型ＰＷＭ　控制器ＵＣ２８４４。ＵＣ２８４４可直接驱动ＭＯＳＦＥＴ，性　

能可靠、安装简单。在使用ＵＣ２８４４的基础上通过表　１所示的优劣对比选择了峰值电流控制方式［４　ｊ。　表１　常见控制方法的对比　

控制模式　优点　缺点　控制类型　

曩　；　军　恒频控制　控制模式　设计；简单的磁通平衡功能　次谐波振荡　…～…　

抗干扰性好　电路比较复杂　恒频控制　

稳　易　变　控制模式　产生振荡　进行全面的检测～…　

根据上述性能要求，单端反激式开关电源原理图　

如图３所示。　

＇　

—　ｃ１０Ｌ　；　２ｆ　６Ｊ。，　－ｚ　士　、７　ｌ　Ｕ０　

ｎ　ｌ　Ｚ　２　Ｎ　。　．　。．　．８　卜＼Ｉ　一　１　——　２　一　Ｖ　一．ＩＮ　Ｌ、《　ＴＩ，ｃ，Ｔ　ｎｌ　，　ｕ，ｃｖ牛ｃ－　｛　

ｖ　４ｊ　ｌ　ＩＣ１９　．　－　ｎ　“　上　｛１０．１　Ｔｌ　ＵＯＵＴｌ　●　“　中ＲＩ６　甲　囊　ＶｓＥＦＢＮ　２［，￣Ｌ－－－　

．　．　Ｉ　ＣＩ　８　ｊＯＵＴ嚣…　卜＿＿　。　＼７　Ｃ　＝＝　一　瓷　Ｊ…　Ｉ　ｌ　、ＦＩ　７　

Ｃ４＝　

。礁　Ｌ＿］厂　Ｉ．＿ｊＪ１　

图３单端反激式开关电源原理图　

２．１高频变压器设计　单端反激式开关电源中变压器不同于其他双极性　流　

变压器，能量不仅要传递还要在电感中储存。这就要　

求采用特殊的方法设计高频变压器，同时考虑到其特　Ｗ。　殊的应用环境。　（１）估算输入功率、输入电压、输人电流和峰值电　

ａ．输出功率：Ｐ。＝５　Ｖ×３　Ａ＋２×１５　Ｖ×１　Ａ＝４５　留有一定的余量所以取Ｐ。＝６０　Ｗ　ｂ．输入功率：Ｐ　＝Ｐ。／　６０　Ｗ／（／

．８＝７５　Ｗ　通垡　潦　】Ｉ：　～　陈城，等：多路输出单端反激电源的设计　２０１４年１月２５日第３１卷第１期　…　…’。一～…一……一。’，＇　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．２５，２０１４，Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．１　

Ｃ．输入电压：Ｕｉ　（　ｉ　）＝９０　Ｖｘ　１．４１４＝１２７　Ｖ　Ｕｉ　（　）＝２４（）Ｖｘ　１．４１４＝３４０　Ｖ　

ｄ．最大、最小平均输入电流：　

／ｉｎ（　ｘ）一　（１）　

（　．　）＝＝＝—ｌ＿　一　（２）　

计算可得最大平均电流为０．５９　Ａ，最小输入电流　

为０．１３３　Ａ。　ｅ．峰值电流：　

Ｊ。ｋ一　（３）　

计算可得峰值电流为２．６（）Ａ。　

（２）确定磁芯型号尺寸　根据Ｅ１磁芯性质６５　ｗ可选用每边约３５　ｍｍ的　

ＥＥ３５／３５／ｌＯ材料为ＰＣ３０磁芯。　磁芯Ａ。７－－１０１）ｍｍ　，Ａ　＝１８８　ｍｍ２，Ｗ＝４０．６　ｇ　

（３）计算一次电感最小值Ｌ　

Ｌ　一　（４）　

此处选最大占空比Ｄ　＝ｏ．５，计算可得Ｌ　ｉ＝　

４８８“Ｈ。　（４）计算磁芯气隙Ｌ　值　

一　（５）　

式中：Ａ　为磁芯的有效面积，代人数值计算得到　＝　

（）．４　ｍｍ。查表可得，ＥＥ３５／３５／１（）的ＡＩ　＝１２０＞Ｈ／　

Ｎ　，Ｌ　约为（）．５　ｍｍ。　

（５）计算一、二次绕组匝数　其中Ｎ　。为一次绕组最大匝数，Ｎ　为ＤＣ＋５　Ｖ　

绕组。其中副边绕组匝数按输入最小电压，导通的占　空比最大进行计算。　

Ｎ　１一　Ｎｐ　。一ＳＱＲＴ　ＬＡｐ１ｒ　

Ｎ。　（Ｕｏ１＋ＵＤ）（１一Ｄ　）　（６）　

（７）　

由公式（６）计算得６３．７　Ｔ，取Ｎ　ｐｒｉ＝６４匝。由公　式（７）计算得２．８７　Ｔ，取Ｎ　：３匝。　此处整流二极管压降ＵＤ＝０．７　Ｖ　

（６）计算其它次级绕组匝数　

一　㈣　

经计算得：　

输出电压为１５　Ｖ时，Ｎ　＝　＝８．２６　

Ｔ，』＼，　取８　Ｔ；　

输出电压为５　Ｖ时，Ｎ　＝　专　＝３　Ｔ。　

（７）计算和选取绕组导线线径　

线径公式：　Ｄ一１．１３ＳＱＲＴ（Ｊ　／Ｊ）　（９）　

这里Ｊ＝３　Ａ／ｍｍ２　

计算趋肤深度：　

Ｓ＝６６．１／ＳＱＲＴ（厂）＝６６．１／ＳＱＲＴ（５０×１０　）＝　

０．２９６　ｍｍ，穿透深度为２Ｓ＝０．５９２　ｍｍ。　

由于高频电流流过导体时，电流的趋肤效应变得　比较突出，也就是说电流从导体的外表面往内按深度　

１　ｄ＝　的深度内可以通过电流，再深的地方就没有　ｊ　电流流过，这样就造成浪费。所以选择导线的线径应　该小于０．５９２　ｍｍ［　。　

２．２器件选择　

开关管选用意法半导体高电压功率ＭＯＳＦＥＴ　ＳＴＰ３Ｎ１５０。稳压二极管选用１８　ｖ／１　Ｗ的１Ｎ４７４６Ａ。　

整流二极管选用ＵＦ２００４。　２．３电路仿真　

利用Ｓａｂｅｒ软件对电路进行仿真分析。Ｓａｂｅｒ是　

美国Ａｎａｌｏｇｙ公司开发的系统仿真软件，是迄今为止　唯一的多技术多领域的系统仿真产品。一般基于Ｓａ—　

ｂｅｒ的仿真分析主要有基于原理图和基于网表两种分　析方法。前者比较直观，但是需要在仿真分析设置和结　果观察两个工具之间进行切换，分析步骤比较复杂¨８］。　

通过对电路的实际仿真，得到图４和图５电路正　

常工作时的输出电压波形。由图可以看出，本文所设　

计的１５　Ｖ电源满足电压调整率和负载调整率的要求。　

图４电路正常工作时１５　Ｖ端的仿真波形　

图５电路正常工作时５

　Ｖ端的仿真波形