反激電源兩種設(shè)計(jì)方法的對(duì)比與分析

林 為，鄧勝釗

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137；2.佛山市華堡電源設(shè)備有限公司，廣東 佛山，528000）

0 引 言

反激式電源變換器與正激式相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省掉了體積較大的輸出濾波電感和續(xù)流二極管，因而在中小功率電源中得到了廣泛應(yīng)用，尤其在高輸入電壓和小功率場(chǎng)合。

反激電源的設(shè)計(jì)包括開(kāi)關(guān)管選擇、變壓器設(shè)計(jì)、整流二極管選擇、濾波電容選擇以及吸收電路設(shè)計(jì)等。其中，開(kāi)關(guān)管的選擇和變壓器的設(shè)計(jì)互相關(guān)聯(lián)，是反激電源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本文以一款LED驅(qū)動(dòng)電源為例，闡述兩種反激變換器的設(shè)計(jì)步驟，并就兩者的異同進(jìn)行相關(guān)討論。

1 常用的兩種設(shè)計(jì)方法

電路如圖1所示，是基于反激式開(kāi)關(guān)電源原理設(shè)計(jì)的40 V/350 mA的恒壓恒流電源，采用華潤(rùn)矽威PWM LED驅(qū)動(dòng)控制器PT4107作為主控芯片。芯片由電阻R4啟動(dòng)后轉(zhuǎn)由變壓器副繞組L3供電，Q1導(dǎo)通時(shí)變壓器初級(jí)充電；截至?xí)r，初級(jí)儲(chǔ)存的能量耦合到次級(jí)。變壓器和光電耦合器起隔離作用。恒壓和恒流特性由光耦U1、三極管Q2及其周邊電路構(gòu)成的大環(huán)路負(fù)反饋控制。

圖1 40 V/350 mA LED驅(qū)動(dòng)電路

已知條件：最低交流電壓VRMSMIN=220(1-0.2)=176 V；最高交流最小直流輸入電壓176-30=219 V；最大直流輸入電壓264+30=403 V；電網(wǎng)頻率為50 Hz；電源效率η=80%（預(yù)設(shè)）；開(kāi)關(guān)頻率f =50 kHz（周期T=20 μs）；輸出電壓Vo=40 V，電流Io=350 mA，故輸出功率Po=40×0.35=14 W。

反激電源變換器有連續(xù)電流（CCM）和斷續(xù)電流（DCM）兩種工作模式。兩種模式有不同的工作特性和應(yīng)用場(chǎng)合[1]。DCM模式的優(yōu)點(diǎn)是次級(jí)整流二極管零電流關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)問(wèn)題，尤其在高輸入電壓場(chǎng)合；同時(shí)，DCM模式變壓器的勵(lì)磁電感小，且輸出負(fù)載電流和輸入電壓突變時(shí)輸出電壓瞬態(tài)尖峰小。但是，DCM模式下初級(jí)電流的峰值和有效值更大，要求更大電流的開(kāi)關(guān)管（從而增加成本），同時(shí)次級(jí)電流的有效值也比CCM模式大得多，要求更大的漆包線尺寸和耐高紋波的輸出濾波電容。從效率考量，CCM模式常用在低壓大電流輸出的場(chǎng)合，DCM模式常用在高壓小電流輸出的場(chǎng)合[2]。因?yàn)樾‰娏鞯膿p耗以開(kāi)關(guān)損耗為主，大電流場(chǎng)合則以導(dǎo)通損耗為主。本設(shè)計(jì)案例的輸出電流為350 mA，輸出電壓40 V，屬于高輸入電壓小輸出電流的場(chǎng)合，因此選用DCM模式。

1.1 方法一

（1）首先確定反射電壓VOR或初次級(jí)匝數(shù)比n=Np/Ns，因?yàn)樵褦?shù)比決定了開(kāi)關(guān)管可承受的最大關(guān)斷電壓應(yīng)力。

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，承受的最大電壓應(yīng)力為：

其中，Vspike漏感引起的電壓尖峰，Vd)為反射電壓，Vd是二極管的正向?qū)▔航?，Vd≈1 V。參數(shù)的選擇應(yīng)使Vdsmax盡量小，對(duì)選定開(kāi)關(guān)管的極限耐壓，至少應(yīng)保留20%的裕度。

為了計(jì)算匝數(shù)比，首先選擇開(kāi)關(guān)管的額定電壓為700 V，預(yù)留20%的裕度Vdsmax取700×0.8=560 V，漏感電壓尖峰根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取50 V，代入式（1）得：

（2）為保證電路始終工作于DCM模式，計(jì)算最大導(dǎo)通時(shí)間：

根據(jù)Iprms即可選擇漆包線線徑，這里不再贅述。

（5）選定變壓器磁芯，計(jì)算初級(jí)匝數(shù)。磁芯材質(zhì)選擇PC40，查PC40資料得Bs=0.39 T，Br=0.06 T，ΔB=Bs-Br=0.33 T。為防止磁芯的瞬間出現(xiàn)磁飽和，ΔB值取0.3 T。

根據(jù)功率和變換器的開(kāi)關(guān)頻率，計(jì)算AP值，選擇磁芯型號(hào)為EE25，Ae=40 mm2，則初級(jí)匝數(shù)為：

（5）計(jì)算次級(jí)匝數(shù)：

（6）計(jì)算次級(jí)電流有效值。復(fù)位時(shí)間Tr滿足0.8TTon=0.8×20-5.25=10.75 μs，故次級(jí)電流有效值為：

根據(jù)Isrms即可選擇漆包線線徑，這里不再贅述。

（7）計(jì)算輔助繞組匝數(shù)。輔助繞組的電壓取自輸出電壓，根據(jù)PT4107對(duì)電源的要求[3]，取為20 V，得：

1.2 方法2

（1）確定最大占空比。在DCM模式下，反激電源的電壓增益與負(fù)載電流有關(guān)，使得DCM模式的電路設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜[2]。根據(jù)反激電源從DCM向CCM過(guò)渡的機(jī)理，在最低直流輸入電壓Vdcmin和最大負(fù)載電流的條件下，將電路設(shè)計(jì)在BCM模式（CCM和DCM的臨界狀態(tài)），可以確保電源始終工作在DCM模式，以簡(jiǎn)化DCM模式的設(shè)計(jì)。最大占空比Dmax的取值要兼顧多個(gè)因素，Dmax越大，反射電壓VOR越大，從而開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)承受的電壓Vdsmax也越大，但整流二極管承受的反壓VD越小。設(shè)計(jì)上，為提高電源效率應(yīng)盡可能增大Dmax，降低整流管的反壓，前提是系統(tǒng)穩(wěn)定且保證開(kāi)關(guān)管耐壓有足夠裕量。通常Dmax以不超過(guò)0.45為宜，如果Vdsmax所選MOS管耐壓值相比裕量不夠，則要適當(dāng)下調(diào)Dmax的值。

（2）計(jì)算初級(jí)峰值電流和初級(jí)電流有效值。取Dmax=0.45（對(duì)應(yīng)的Ton=20×0.45=9 μs），對(duì)BCM模式，初級(jí)峰值電流和初級(jí)電流有效值分別為：

（4）選定變壓器磁芯，計(jì)算初級(jí)匝數(shù)。磁芯材質(zhì)選擇PC40，ΔB值取0.3 T。根據(jù)功率和變換器頻率，計(jì)算AP值，選擇磁芯型號(hào)為EE25，Ae=40 mm2，故初級(jí)匝數(shù)為：

于是，計(jì)算開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力為：

預(yù)留20%的裕量，開(kāi)關(guān)管要選擇耐壓在632/0.8=790 V以上。

（6）計(jì)算次級(jí)匝數(shù)：

（7）計(jì)算次級(jí)電流有效值：

根據(jù)Isrms即可選擇漆包線線徑，這里不再贅述。

（8）計(jì)算輔助繞組匝數(shù)，同方法1。

2 兩種方法的對(duì)比與分析

方法1源自參考文獻(xiàn)[1]（Abraham I.Pressmen的經(jīng)典著作《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)》），先根據(jù)開(kāi)關(guān)管的應(yīng)力預(yù)設(shè)合適的反射電壓確定匝數(shù)比，基于電源工作在DCM模式的前提下，預(yù)設(shè)0.2T的死區(qū)時(shí)間，利用變壓器伏秒平衡原理計(jì)算最大的導(dǎo)通時(shí)間，然后從功率角度將電感儲(chǔ)能和輸出功率關(guān)聯(lián)計(jì)算初級(jí)電感，再利用法拉第定律計(jì)算初級(jí)峰值電流。

方法2源自業(yè)界常用的設(shè)計(jì)方法，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在最低直流輸入電壓和最大負(fù)載電流的條件下將電路設(shè)計(jì)在BCM模式。先根據(jù)電源的工況預(yù)設(shè)合適的最大占空比Dmax，根據(jù)Dmax和初級(jí)平均電流計(jì)算初級(jí)峰值電流，再根據(jù)法拉第定律計(jì)算初級(jí)電感。

對(duì)比上述兩種方法，盡管它們的設(shè)計(jì)順序有所不同，但關(guān)鍵的地方是一致的，即設(shè)定適當(dāng)?shù)姆瓷潆妷篤OR或最大占空比Dmax。因?yàn)槎呤窍嚓P(guān)的，可以互相換算。根據(jù)變壓器的伏秒平衡關(guān)系：

DCM模式下，Tr＜T-Ton，故：

或者：

由式（22）可見(jiàn)，設(shè)定了Dmax就可以選定VOR；反之，亦然。設(shè)定了VOR或Dmax，可以計(jì)算匝數(shù)比、初級(jí)峰值電流以及初級(jí)電感等參數(shù)，也就決定了變換器的核心參數(shù)。

在一定范圍內(nèi)，VOR設(shè)定越高（代表開(kāi)關(guān)管耐壓越高），Dmax可以取得越大，開(kāi)關(guān)管損耗越低。但占空比增大，整流管關(guān)斷時(shí)間變長(zhǎng)，輸出濾波電容將承受更大的紋波電流，導(dǎo)致發(fā)熱加劇。同時(shí)，占空比增大會(huì)使變壓器漏感加大，抵消占空比大帶來(lái)的低損耗，甚至帶來(lái)開(kāi)關(guān)管擊穿的風(fēng)險(xiǎn)或吸收電路的損耗。反之，占空比小，降低變換器效率，但可降低開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，改善輸出電容的損耗和發(fā)熱。因此，權(quán)衡各方面的影響，設(shè)定最佳的VOR或最大占空比Dmax，讓反激變換器工作在最佳的工作狀態(tài)是反激電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作，即兩種方法的共通點(diǎn)。

現(xiàn)將兩種方法獲得的主要設(shè)計(jì)參數(shù)列表，如表1所示。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)列表

方法2中，如果將VOR設(shè)定跟方法1相同（107 V），相應(yīng)的Dmax=0.328，計(jì)算的參數(shù)見(jiàn)表1的“方法2（修正）”列。由表1可以看到，設(shè)定相同的VOR后，兩種方法的結(jié)果趨向一致。

3 結(jié) 論

反激電源設(shè)計(jì)沒(méi)有固定不變的方式和流程。一個(gè)比較實(shí)用的設(shè)計(jì)思路：根據(jù)電源的工作條件（工況）預(yù)設(shè)占空比，根據(jù)占空比和工作電壓范圍計(jì)算匝數(shù)比，根據(jù)材質(zhì)選擇ΔB，根據(jù)AP法選擇合適的磁芯型號(hào)，計(jì)算原副邊匝數(shù)，根據(jù)功率和電流選擇線徑，根據(jù)占空比選擇電感及氣隙，最后是檢驗(yàn)繞窗系數(shù)。

反激電源和其他類型開(kāi)關(guān)電源一樣，由于存在多個(gè)設(shè)計(jì)變量，不同的取值對(duì)應(yīng)不同的性能考量以及電路成本，設(shè)計(jì)過(guò)程往往需要多次修正設(shè)計(jì)變量，直到性能或性價(jià)比達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)，不同的設(shè)計(jì)者由于工作經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)不同，難以找到一個(gè)適合所有人的最佳設(shè)計(jì)方法。對(duì)個(gè)體來(lái)說(shuō)，最佳的設(shè)計(jì)流程應(yīng)該是自己最熟練、最能理解的那一種。