功率开关器件脉宽调制的控制

引言

单片开关电源自问世以来，以其效率高，体积小，集成度高，功能稳定等特点迅速在中小功率精密稳压电源领域占据重要地位。美国PI公司的TOPSwitch系列器件即是一种新型三端离线式单片高频开关电源芯片，开关频率fs高达100 kHz，此芯片将PWM控制器、高耐压功率MOSFET、保护电路等高度集成，外围连接少许器件即可使用。本文介绍了一种基于TOP223Y 输出为+5 V/3 A，+12 V/1 A的单端反激式开关电源方案设计的原理和方法。

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方案设计的原理

开关电源是涉及众多学科的一门应用领域，通过控制功率开关器件的开通与关闭调节脉宽调制占空比达到稳定输出的目的，能够实现AC/DC或者DC/DC转换。

TOP223Y共三个端：控制极C、源极S、漏极D.因只有漏极D用作脉宽调制功率控制输出，故称单端;高频变压器在功率开关导通时只是将能量存储在初级绕组中，起到电感的作用，在功率开关关闭时才将能量传递给次级绕组，起变压作用，故称反激式。

电路功能部分主要由输入/输出整流滤波、功率变换、反馈电路组成。工作原理简述为：220 V市电交流经过整流滤波得到直流电压，再经TOP223Y脉宽调制和高频变压器DC-AC变换得到高频矩形波电压，最后经输出整流滤波得到品质优良的直流电压，同时反馈回路通过对输出电压的采样、比较和放大处理，将得到的电流信号输入到TOP223Y的控制端C，控制占空比调节输出，使输出电压稳定。

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方案设计的要求

设计作为某智能仪器的供电电源，具体的参数要求如下：交流输入电压最小值：VACMIN=85 V;交流输入电压最大值：VACMAX=265 V;输出：U1：+5 V/3 A;U2：+12 V/1 A;输出功率：Po=27 W;偏置电压：VB=12 V;电网频率fL=50 Hz;开关频率fs=100 kHz;纹波电压：小于100 mV;电源效率：η大于80%;损耗分配因数Z 为0.5;功率因数为0.5.

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设计实例

本设计方案是基于TOP223Y的多路单端反激式开关电源，性能优越，便于集成。电路原理如图2所示，可分为输入保护电路、输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路、反馈回路、控制电路7个部分。

(1) 输入保护电路

由保险丝F1、热敏电阻RT和压敏电阻RV组成，对输入端进行过电压、过电流保护。

保险丝F1用于当线路出现故障产生过电流时切断电路，热敏电阻RT用以吸收开机浪涌电流，避免瞬间电流过大，对整流二极管和保险丝带来冲击，造成损坏，加入热敏电阻可以有效提高电源设计的安全系数，其阻值按照RRT1》0.014VACMAX/IACRMS 选择10D-11(10 Ω/2.4 A)。压敏电阻RV能在断开交流输入时提供放电通路，以防止大电流冲击，同时对冲击电压也有较好钳位作用。RV选取MY31-270/3，标称值为220 V.

(2) 输入整流滤波电路

由EMI滤波电路、整流电路、稳压电路组成。EMI滤波电路针对来自电网噪声干扰。采用由L1，CX1，CX2，CY1，CY2构成典型的Π型滤波器。

CX1和CX2用来滤除来自电网的差模干扰，称为X电容，通常取值100~220 nF，这里取100 μF;CY1和CY2用来滤除来自电网的共模干扰，称为Y电容，通常取值为1~4.7 nF，这里取2.2 nF;同样用来消除共模干扰的共模电感L1的取值8~33 mH，这里取8 mH，采取双线并绕。

输入整流电路选择不可控全波整流桥。整流桥的反向耐压值应大于1.25倍的最大直流输入电压，整流桥的额定电流应大于两倍的交流输入的有效值，计算后选择反向击穿电压为560 V，额定电流为3 A的KBP306整流桥。

在当前的供电条件下，输入储能电容器CIN的值根据输出功率按照2~3 μF/W 来取值，考虑余量，取CIN=100 μF/400 V的电解电容。假设整流桥中二极管导通时间为tc=3 ms，可由：

得到输入直流电压的最小值和最大值。

(4)钳位保护电路

当功率开关关断时，由于漏感的影响，高频变压器的初级绕组上会产生反射电压和尖峰电压，这些电压会直接施加在TOPSwitch芯片的漏极上，不加保护极容易使功率开关MOSFET烧坏。加入由R1、C2和VD1组成经典的RCD钳位保护电路，则可以有效地吸收尖峰冲击将漏极电压钳位在200 V左右，保护芯片不受损坏。推荐钳位电阻R1取27 kΩ/2 W，VD1钳位阻断二极管快恢复二极管耐压800 V 的FR106，钳位电容选取22 nF/600 V的CBB电容。

单端反激式变换器是在(BUCK-BOOST)电路基础上变换过来的，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管隔离变换器，其输出电压的极性与输入电压相反，因此称其为Flyback——反激式变换器，对于反激电源，小功率的效率比较难做上去，大功率相对来说会容易一些，根据经验，一般100W的反激电源效率做到85%以上算不错!

关键词：反激电源;

01电路结构图

如图1-1所示，是单端反激电源的基本结构图：

图1-1 反激电源结构图

图1-1电路图工作特点是当开关管VT1导通时，将电源的能量存储在变压器中，即变压器的一次侧电感Lp存储能量，当开关管VT1截止时，将导通期间存储的能量传递给二次侧负载，因此存在能量从一次侧到二次侧的传递。

02工作原理

反激式开关电源的工作过程分为两个阶段：开关管VT1的ON期间和OFF期间。

ON期间：

变压器T初次绕组Np有电流Ip，并将能量存储在其中，初次绕组能量值为：

由于初级绕组与次级绕组的极性相反，此时次级输入整流二极管VD1反向偏压截止了，所以在开关管VT1的ON期间，无能量传送到负载。

初级电流上升斜率为：

次级二极管承受反向电压：

其中n为变压器变比，为：

设变压器在t=Ton时，导通时间结束，一次电流从一个最小值ipmin开始线性增长到ipmax，则一次侧电流的表达式为：

在Ton期间，根据电磁感应定律，可以计算磁通的增加量为：

OFF期间：

在开关管VT1关断的时间内，变压器原边绕组Np将产生一反向反电动势，此时输出整流二极管VD1正向导通，负载有电流I流通，二极管就导通了，此时次级绕组的电流斜率为：

开关管VT1上的电压为：

当t=Ts时，即截止期间OFF结束时下降到最小值Ismin，其值为：

在开关管截止期间，变压器同时完成了去磁的作用，磁通量线性减小了，截止期间OFF内，减小的值为：

图1-2为次级绕组等效电流波形：

图1-2 次级电流波形

总结：

根据磁通平衡原理，增加的磁通等于减小的磁通，即：

从式(1.11)即可求得输出电压关系式为：

开关管VT1承受的电压为：

从式(1.13)可知开关管VT1关断瞬间，其DS电压会很高!!

整流二极管VD1截止时承受的电压为：

输出平均电流为：

反激式变换器是用于医疗设备和笔记本电脑等应用的多功能电力电子器件。这种变换器也称为隔离式升降压变换器，其电路简单，可以调节系统的输出电压(VOUT)，同时最大限度地减少电磁干扰 (EMI)。

本文将介绍反激式变换器及其拓扑、有用参数和操作，还将讨论 MPS 的 AC/DC 反激式控制器(MPX2002和MPX2003)，它们同时具备原边调节 (PSR) 和副边调节 (SSR)的能力。

反激式变换器的参数和拓扑

在反激式变换器中，电感被分割以形成耦合电感，它也被称为反激式变压器。耦合电感将变换器的输入与其输出隔离。图 1 为反激式变换器的示意图，其组成如下：

VIN：输入电压，即电路的电源。

CIN和COUT：分别为输入和输出电容。电容用于存储和释放到稳压器VIN和输出电压(VOUT)的电荷。

Control：来自IC 控制器的信号，用于导通原边MOSFET。它允许电流流过LP，并传输至输出。

LP和LS：分别为原边和副边电感。耦合电感存储并释放能量，并根据各自绕组中的匝数确定VOUT。

D：二极管，通过将交流电(AC) 转换为直流电(DC)对VOUT进行整流，使电流只能沿一个方向流动。