等效輸出功率的修正 - 小功率通用開關(guān)電源快速設(shè)計(jì)

　　3.2 等效輸出功率的修正

　　PD ，η， Po 關(guān)系曲線均對(duì)交流輸入電壓的最小值進(jìn)行了限制，umin = 85 V.如果交流輸入電壓最小值不符合上述的要求，就會(huì)直接影響芯片的正確選擇。此時(shí)必須從實(shí)際的交流輸入電壓u？ min最小值對(duì)應(yīng)的功率P‘o 折算成umin為規(guī)定值時(shí)的等效功率Po，才能使用上面的圖。功率修正的方法如下： 選擇使用的特性曲線，然后根據(jù)已知的u’min值查出折算系數(shù)K;將P ‘o折算成umin為規(guī)定值時(shí)的等效功率Po，表達(dá)公式P o=P’o / K;然后從圖3、圖4 中選用適當(dāng)?shù)年P(guān)系曲線。

　　圖5 寬范圍輸入時(shí)K 與u‘min 的關(guān)系。

　　例如設(shè)計(jì)12 V， 35 W 的通用開關(guān)電源，已知umin= 90% × 115 V = 103.5 V.從圖5中查出K =1.15.將P ’o = 3.5 W， K = 1.15帶入P o= P ‘o / K 中，計(jì)算出Po= 30.4 W; 再根據(jù)Po 的值，從圖4 中查出選擇的最佳型號(hào)是T OP224 芯片，此時(shí)η = 81.6%，PD= 2 W.如果選擇了T OP223， 則η 降到73.5%，PD 增加到5 W， 顯然不合適。如果選擇T OP225 型，就會(huì)造成資源浪費(fèi)，因?yàn)樗萒OP224 的價(jià)格要高一些，而且適合輸出40~ 60 W 的更大的功率。

　　4 主要元件參數(shù)計(jì)算

　　4.1 變壓器變比的設(shè)計(jì)

　　開關(guān)變壓器的變比與開關(guān)變換電路的具體形式有關(guān)，正激、半橋變換電路中開關(guān)變壓器的變比公式為：

　　式中，Uin，Uout分別為開關(guān)變壓器的輸入和輸出電壓；Nin，Nout 分別為開關(guān)變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈的匝數(shù)。

　　當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該按最低輸入電壓代入計(jì)算。

　　推挽電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系公式為：

　　Uout= 2DUin/n

　　因此得到關(guān)系式：n= 2D Uin / Uout= N 1 / N 2.

　　輸入電壓最低時(shí)，占空比D 值最大，這時(shí)候仍然能保持設(shè)計(jì)要求的輸出電壓，所以上式的D 應(yīng)取最大值，Uin取最小值。

　　4.2 輸入濾波電容的選擇

　　輸入濾波電容器C 的容量與電源效率，輸出功率密切相關(guān)，對(duì)于寬范圍輸入的開關(guān)電源，C 的容量取μF 為單位時(shí)，可按比例系數(shù)3μF/ W 來(lái)選取。例如當(dāng)Po= 30 W 時(shí)，C= （ 3μF/W）×30 W= 90μF， 以此類推。在固定輸入時(shí)，比例系數(shù)變成1μF/W， 上例中的C 就變成30μF.在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)還要注意C 的容量誤差要盡量小，以免影響開關(guān)電源的性能。當(dāng)C 的容量過(guò)小時(shí)，會(huì)降低TopswitchⅡ的可用功率。如果把30μF 改成20μF， 則輸出功率會(huì)降低15 %; 當(dāng)C《 20μF 時(shí)，會(huì)造成可用功率的明顯下降。

　　另外，C 容量的大小還決定直流高壓Ui 的數(shù)值，圖3、圖4 實(shí)際上是在Ui= 105 V 的情況下繪制的，這個(gè)充分體現(xiàn)了C 對(duì)Ui 的影響。

　　4.3 開關(guān)管保護(hù)電路

　　在開關(guān)芯片的漏極D 側(cè)可以利用VDZ 和VD 兩個(gè)二極管對(duì)高頻變壓器的漏感產(chǎn)生的尖峰電壓進(jìn)行箝位，可保護(hù)μ的D-S 極間不被擊穿。例如VDZ 可以選用瞬態(tài)電壓抑制器P6K200， 其反向擊穿電壓為200 V.VD 采用反向耐壓為600 V 的UF4005 型超快恢復(fù)二極管，亦稱阻塞二極管。

　　5 應(yīng)用電路及其仿真

　　圖6給出了由TOPSwitch 構(gòu)成的反激式電源的原理圖。其工作過(guò)程如下： 輸入交流電經(jīng)整流橋BR1 整流后再經(jīng)電容C1 濾波，變?yōu)槊}動(dòng)的直流電。

　　反激式變壓器與TOPSwitch 將存儲(chǔ)于電容C1 的能量傳遞給負(fù)載。當(dāng)TOPswitch 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電容C1兩端的電壓加到反激變壓器的原邊，流過(guò)原邊繞組的電流線性增加（ 如若在MOSFET 開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間變壓器副邊電流不為零，則由于副邊感應(yīng)電勢(shì)反向，二極管D2 截止，副邊電流變?yōu)榱?，然而磁芯?nèi)的能量不能突變，故原邊電流躍變?yōu)楦边呺娏鞯?/ K，K 為變壓器變比），變壓器儲(chǔ)存能量； 當(dāng)MOSFET 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感原邊電流由于沒(méi)有回路（ 此時(shí)，穩(wěn)壓管VR1 的擊穿電壓因高于原變壓器的感應(yīng)電勢(shì)而截止） 而突變?yōu)榱?，變壓器通過(guò)副邊續(xù)流，副邊電流為TOPswitch 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)原邊電流的K 倍，副邊繞組通過(guò)二極管D2 對(duì)電容C2 充電，此后，流過(guò)變壓器副邊的電流線性下降。二極管D1 與穩(wěn)壓管VR1 并接于變壓器的原邊以吸收由于變壓器原邊的漏感而產(chǎn)生的高壓毛刺。電阻R1、穩(wěn)壓管V R2、光耦U2 與電容C5 構(gòu)成了電壓反饋電路以保證輸出電壓穩(wěn)定。電阻R2 與VR2 構(gòu)成一假負(fù)載，以保證當(dāng)電源空載或輕載時(shí)輸出電壓穩(wěn)定。電感L1 與電容C3 構(gòu)成LC 濾波器以防止輸出電壓脈動(dòng)過(guò)大。二極管D3 與電容C4 構(gòu)成一整流電路以提供光耦U2 光電三極管的偏置電壓。電感L2 、電容C6 和C7 用于降低系統(tǒng)的電磁干擾（ EMI） 。

　　圖6 反激式電源的應(yīng)用原理圖。

　　圖7分別給出了輸入電壓220 V （ 交流），輸出功率為40 W; 輸入電壓85 V （ 交流），輸出功率為24 W和輸入電壓85 V（ 交流），輸出功率為40 W 時(shí)的輸出電壓波形。

　　圖7 不同電壓輸入條件下的電壓仿真輸出波形

　　6 結(jié)論

　　理論設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果表明，基于topswitch 芯片設(shè)計(jì)的開關(guān)電源，輸出波形較為穩(wěn)定，而且電磁兼容性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)制造。