典型反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　摘要：介紹了一種基于開(kāi)關(guān)電源芯片FSDM0565R 的三相輸入、多輸出反激式開(kāi)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(cè)波形及測(cè)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(kāi)關(guān)電源具有效率高、體積小、電路簡(jiǎn)單、輸入電壓變化范圍寬、紋波小等特點(diǎn)。同時(shí)解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)三相輸入的問(wèn)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(kāi)關(guān)電源自20 世紀(jì)以來(lái)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(kāi)關(guān)電源以其高性能，高效率（75%，現(xiàn)在單片集成開(kāi)關(guān)電源效率早已達(dá)到90%以上），這對(duì)解決能源問(wèn)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(kāi)關(guān)電源取代；體積小，易于安裝，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)）。反激式開(kāi)關(guān)電源相對(duì)其它類型的開(kāi)關(guān)電源輸出功率小，變換電路簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源模塊，并給出了測(cè)試過(guò)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(kāi)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(gè)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(shí)的消耗）； c、精確的固定工作頻率：66KHz;d、內(nèi)部啟動(dòng)電路、改進(jìn)的電流限制、過(guò)電壓保護(hù)（OVP）、過(guò)載保護(hù)（OLP）、內(nèi)部熱關(guān)斷功能（TSD）、異常過(guò)電流保護(hù)（AOCP）、自動(dòng)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(dòng)：在啟動(dòng)時(shí)，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(shí)，F(xiàn)PSTM 開(kāi)始開(kāi)關(guān)動(dòng)作，此時(shí)內(nèi)部的高電壓電流源就消失。（2）反饋控制：開(kāi)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(gè)光耦（如H11A817A）和一個(gè)分壓調(diào)整器（如KA431）組成一個(gè)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(shí)可能會(huì)出現(xiàn)紋波不對(duì)的情況，這很可能是由于反饋回路有問(wèn)題，這時(shí)檢查電路時(shí)需要測(cè)量反饋回路的波形對(duì)比光耦兩邊的頻率是否一致。本人在設(shè)計(jì)時(shí)就由于成本問(wèn)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(shí)要根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的頻率來(lái)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(guò)載保護(hù)（OLP），過(guò)流保護(hù)（AOCP），過(guò)電壓保護(hù)（OVP）和過(guò)熱關(guān)斷（TSD）。具體指標(biāo)詳見(jiàn)本芯片的技術(shù)手冊(cè)。（4）軟啟動(dòng)：FSDM0565R 內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路，當(dāng)電路啟動(dòng)時(shí)，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(dòng)時(shí)間是10 毫秒，提供給開(kāi)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(dòng)時(shí)充電，延緩了電壓的突變，從而不會(huì)使變壓器工作在飽和狀態(tài)，也減少了對(duì)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(shí)的損耗，F(xiàn)SDM0565R 設(shè)有突發(fā)模式。當(dāng)負(fù)載突然減少時(shí)，反饋電路的電流突然下降，這樣FSDM0565R 就會(huì)進(jìn)入突發(fā)模式。

　　此時(shí)反饋電壓就會(huì)降到VBURL（500mV），這時(shí)開(kāi)關(guān)管停止工作，輸出電壓依據(jù)待機(jī)負(fù)載開(kāi)始下降到一定值。然后反饋電壓又會(huì)上升，它又會(huì)超過(guò)VBURH（700mV）的開(kāi)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(kāi)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(gè)開(kāi)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(guò)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。

　　圖1 電源模塊電路原理圖

　　2.1 輸入電路設(shè)計(jì)

　　輸入電路包括啟動(dòng)電流電路保護(hù)、過(guò)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(shí)可以看成是短路，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源上電時(shí)，會(huì)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(duì)沖擊電流不加以限制，不但會(huì)燒壞保險(xiǎn)絲，燒毀插件，降低器件的工作壽命，還會(huì)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(shí)候根據(jù)具體電路進(jìn)行選擇，本設(shè)計(jì)采用NTC8D210.過(guò)電流電路保護(hù)初級(jí)電路最高通過(guò)電流為2A.防雷采用4 級(jí)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(cè)702V），所以整流濾波電路采用CD11-400V-100μf±20%兩個(gè)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(duì)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(huì)很大， 此時(shí)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(zhǎng)了二極管的壽命。二極管采用恢復(fù)時(shí)間較短的如肖特基二極管，最大反向恢復(fù)時(shí)間為50ns.輸出濾波電感選擇時(shí)，根據(jù)反激式開(kāi)關(guān)電源輸出濾波電感計(jì)算公式選擇，考濾磁飽和問(wèn)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(gè)光耦給成：E1 為過(guò)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(lái)自13.8V+，R14 采樣電壓來(lái)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(gè)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(guò)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(shí)，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(shí)，其CTR=2-4，取低限2，要求流過(guò)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^(guò)R11 的最大電流為50mA，R11》（14.4-2.5-1.2）/50=214 歐姆。

　　同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件，在這里我們?nèi)?K.

　　R13、C26 形成一個(gè)在原點(diǎn)的極點(diǎn)，用于提升低頻增益，來(lái)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(gè)零點(diǎn)，來(lái)提升相位，要放在帶寬頻率的前面來(lái)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(shí)低頻增益也會(huì)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(kāi)關(guān)電源的心臟，它的設(shè)計(jì)尤為重要，它將占用整個(gè)設(shè)計(jì)的大部分時(shí)間，設(shè)計(jì)過(guò)程請(qǐng)參閱文獻(xiàn)1 中反激式開(kāi)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：

　?。?）磁芯骨架：立式EC2828，12 腳（腳距5mm，排距25mm）。

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

　?。?）變壓器初級(jí)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(duì)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(gè)繞組均勻繞在骨架中間，每繞完一個(gè)繞組包2mm厚的絕緣膠帶。

　　3.樣板試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

　　3.1 各電壓紋波測(cè)量結(jié)果

　　開(kāi)關(guān)電源紋波的測(cè)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(cè)到準(zhǔn)確的波形， 在本電源板中，對(duì)5V2+的要求比較嚴(yán)格，要嚴(yán)格控制它的紋波，以下測(cè)得當(dāng)加2.5 歐姆電阻（80%負(fù)載）時(shí)測(cè)得紋波為空載的兩倍，如下圖3 所示。

　　圖3 5V2+80%負(fù)載時(shí)波形圖。

　　3.2 電磁兼容實(shí)驗(yàn)

　　當(dāng)檢測(cè)紋波通過(guò)時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境問(wèn)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(cè)試中開(kāi)關(guān)電源主板裝入某一終端進(jìn)行測(cè)試。差模打±2000V，共模打±4000V.具體方法參照國(guó)家電磁兼容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　4.結(jié)論

　　反激式開(kāi)關(guān)電源比起線性電源和其他類型的開(kāi)關(guān)電源，具有紋波大的特點(diǎn)。但通過(guò)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(kāi)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(cè)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(cè)試到投入生產(chǎn)經(jīng)過(guò)了兩個(gè)月的時(shí)間，所以本人也在做一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的仿真，通過(guò)仿真和模塊化可以大大減少研發(fā)周期和成本。