一種高效小型化的開(kāi)關(guān)電源設計方案

1 引言

開(kāi)關(guān)電源是利用現代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。從上世紀90年代以來(lái)開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設備領(lǐng)域，計算機、程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源。隨著(zhù)電源技術(shù)的發(fā)展，低電壓，大電流的開(kāi)關(guān)電源因其技術(shù)含量高，應用廣，越來(lái)越受到人們重視。在開(kāi)關(guān)電源中，正激和反激式有著(zhù)電路拓撲簡(jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于中小功率電源變換場(chǎng)合。跟反激式相比，正激式變換器變壓器銅損較低，同時(shí)，正激式電路副邊紋波電壓電流衰減比反激式明顯，因此，一般認為正激式變換器適用在低壓，大電流，功率較大的場(chǎng)合。

2 系統總體框圖

一種高效小型化的開(kāi)關(guān)電源設計的系統總體框圖如圖1所示。

圖1：系統總體框圖

輸入的市電經(jīng)凈化濾波后整流成300V左右的直流電壓加到半橋電路的MOS管上?？刂齐娐酚勺畛Ｓ肧G3525芯片組成?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)高壓部件反饋繞組檢測輸出電壓的變化量，產(chǎn)生激勵脈沖去驅動(dòng)功率MOS場(chǎng)效應管，實(shí)現穩壓輸出。

3 電源設計的基本技術(shù)

3.1有源鉗位技術(shù)

正激DC/DC變換器其固有缺點(diǎn)是功率晶體管截止期間高頻變壓器必須磁復位。以防變壓器鐵心飽和，因此必須采用專(zhuān)門(mén)的磁復位電路。通常采用的復位方式有三種，即傳統的附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：磁復位繞組法正激變換器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠，磁化能量可無(wú)損地回饋到直流電路中去，可是附加的磁復位繞組使變壓器結構復雜化，變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰需要RC緩沖電路來(lái)抑制，占空比D0.5,功率開(kāi)關(guān)管承受的電壓應力與輸入電源電壓成正比。RCD鉗位正激變換器的優(yōu)點(diǎn)是磁復位電路簡(jiǎn)單，占空比D可以大于0.5,功率開(kāi)關(guān)管承受電壓應力較低，但大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，因此它一般適用于變換效率不高且價(jià)廉的電源變換場(chǎng)合。有源鉗位技術(shù)是三種技術(shù)中效率最高的技術(shù)，它的電路圖如圖2所示，工作原理如圖3所示。

圖2：有源鉗位同步整流正激式電路圖

圖3：有源鉗位電路工作原理圖

在 DT時(shí)段之前，開(kāi)關(guān)管S1 導通，激磁電流iM為負，即從Cr通過(guò)S1流向Tr,在DT階段，開(kāi)關(guān)管S的驅動(dòng)脈沖ugs使其導通，同時(shí)ugs1=0,使S1 關(guān)斷，在Vin的作用下，激磁電流由負變正，原邊功率通過(guò)變壓器傳到副邊，給輸出端電感L充電;在(1-D)T時(shí)段，ugs=0,S關(guān)斷，ugs1到來(lái)使 S1導通，iM通過(guò)S1的反并二極管向Cr充電，在Cr和Tr漏感構成的諧振電路的作用下，iM由正變負，變壓器反向激磁。從以上分析中可以看出：有源鉗位正激變換器變壓器鐵心工作在雙向對稱(chēng)磁化狀態(tài)，提高了鐵心利用率，鉗位電容的穩態(tài)電壓隨開(kāi)關(guān)占空比而自動(dòng)調節，因而占空比可大于50%;Vo一定時(shí)，主開(kāi)關(guān)、輔助開(kāi)關(guān)應力隨Vin的變化不大;所以，在占空比和開(kāi)關(guān)應力允許的范圍內，能夠適應較大輸入電壓變化范圍的情況。不足之處是增加了一個(gè)管子，使得電路變得復雜。

3.2同步整流技術(shù)

在低電壓大電流功率變換器中，若采用傳統的普通二極管或肖特基二極管整流由于其正向導通壓降大(低壓硅二極管正向壓降約0.7V,肖持基二極管正向壓降約 0.45V,新型低電壓肖特基二極管可達0.32V)，整流損耗成為變換器的主要損耗，無(wú)法滿(mǎn)足低電壓大電流開(kāi)關(guān)電源高效率，小體積的需要。

MOSFET導通時(shí)的伏安特性為一線(xiàn)性電阻，稱(chēng)為通態(tài)電阻RDS,低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小，如：IRL3102(20V,61A)、 IRL2203S(30V,116A)、IRL3803S(30V,100A)通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，它們在通過(guò) 20A電流時(shí)，通態(tài)壓降不到0.3V.另外，功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間短，輸入阻抗高，這些特點(diǎn)使得MOSFET成為低電壓大電流功率變換器首選的整流器件。功率MOSFET是一種電壓型控制器件，它作為整流元件時(shí)，要求控制電壓與待整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱(chēng)為同步整流電路。圖1為典型的降壓型“同步”開(kāi)關(guān)變換器電路(當電路中無(wú)SR時(shí)，為“普通”的降壓型開(kāi)關(guān)變換器電路)。

4 電源設計的電路

所設計的電源參數如下：輸入電壓為50(1±10%)V,輸出電壓為3.3V,電流為20A,工作頻率為100kHz.采用的主電路拓撲如圖4所示。

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