一种简易型开关电源的设计

2005/11/1 17:14:50

　摘要　介绍一种简易型单管自激式开关电源的工作原理、特点和应用范围，并结合实际按给定参数进行设计。
　　主题词　开关电源　原理　参数　设计

1　引言

　　开关电源是一种利用变频开关功率器件并通过变换技术而制成的直流稳压电源。它具有体积小、重量轻、效率高、对电网电压及频率的变化适应性强、输出电压保持时间长、有利于计算机信息保护等优点，因而广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。
　　本文结合实例，介绍对单管自激式变换器开关电源的设计。

2　主要技术参数

　　输入电压　AC220V
　　输入电压变动范围　AC176～264V
　　输入频率　50Hz
　　输出Ⅰ　DC±12V，1A
　　输出Ⅱ　DC5V，3A
　　两组输出功率　12×1×2+5×3=39W

3　工作原理

　　单管自激式变换器开关电源电路如图1所示。

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图1　开关电源原理图

　　它由整流滤波电路、主开关电路、浪涌电压吸收电路、电压检测电路和次级整流滤波电路等组成。其工作原理是：交流输入电压经过整流滤波电路变成直流电压，再被开关功率管斩波和高频变压器降压，经过次级整流滤波电路整流滤波获得所需直流输出电压。
　　控制电路中，光电耦合器4N35及Q₂、Q₃、Q₄等对输出起反馈作用，以调整占空比，达到稳压的目的。

4　开关电源的设计

4.1　输入直流电压V₁
　　交流输入电压在220±20%范围内变化时，经全波整流滤波后的直流输入电压V_1min=240V，V_1max=360V。
4.2　确定占空比α及频率f
　　开关功率管，对于单管自激式变换器，α取0.3～0.5是合适的设计值，取α=0.5。
　　振荡频率低于25 kHz会有噪声，可取f=30kHz。
4.3　一次电流峰值i_1p及一次电感L₁
　　当输入电压最低，输出电流I₀₁、I₀₂为过电流保护设定点(I₀₁、I₀₂的120%)时，i_1p最大，f最小，这时p₂=2V₂I₂+V₃I₃=52.8W，设η=90%，则i_1p，还可计算出T_on＝αT=16.7μs，这样一次线圈电感L₁为：

4.4　磁芯的选用
　　根据频率和功率，选用EI(E)-35型磁芯，其有效截面积S₁=101mm²。
4.5　匝数N₁、N₂及N₃的确定
　　二次线圈(5V)和一次线圈的匝数比为：

N₁₃=V₂/V₁=0.027

　　而二次线圈(5V)的匝数可如下确定：

匝，取N₃=4匝

　　式中：B_m——最大磁通密度，取B_m=3000Gs。
　　所以一次线圈N₁为：
　　N₁=N₃/N₁₃=146.7匝，取N₁=147匝
　　同理可确定±12V输出线圈的匝数：
　　N₂=N₃*V₂/V₃=8.7匝，取N₂=9匝
　　注意该线圈共有2×9=18匝，并有中心抽头。
4.6　变频变压器
　　通过变压器线圈的电流在输入电压V₁最低和输出电流I₀₁、I₀₂最大时最大，这时变压器的输出功率P₂为44W。
　　I₂，I₃的峰值按I₌2I/α计算，I₁的峰值按式计算，它们的有效值则按式计算，其波形如图2所示，结果如表1所示。

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图2　变压器线圈电流的波形

表1　变压器线圈的电流

电流	峰值I_p(A)	有效值I_rms(A)
I₁	0.81	0.33
I₂	4	1.63
I₃	12	4.9

　　现确定开关功率管Q₁的栅极线圈匝数N_G，即使输入电压V₁最低时，栅极电路电压V_G也需要6V左右，故可确定N_G为：

N_G=V_B*N₁/V₁=3.7匝，取4匝

设开关功率管的A=10，则栅极电流。
　　计算通过线圈的电流有效值是为了按式P₁=R₁*I^2_rms计算出由线圈导线阻抗部分导致的损耗P₁。
　　关于变压器线圈导线的选择，考虑到电流密度I_s=I/S，可取I_α=4A/mm²，所以一次线圈的截面积S=I_1rms/I_d=0.08mm²，在导线便览里截面积比S大的最细导线为=0.4mm，其截面积为0.1257mm²，T级漆包线的外径为0.456mm，其他线圈同样，其导线确定结果如表2所示，二次线圈用一根要加粗，采用2根并联，三次线圈则采用3根并联。

表2　变压器线圈导线的选择

线圈次数	I_rms (A)	导　　线			层数
线圈次数	I_rms (A)	尺寸	线径(mm)	截面积(mm²)	层数
一	0.33	0.4	0.456	0.1257	3
二	1.63	0.5	0.560	0.1964	1
三	4.9	0.7	0.776	0.3848	1
G	0.069	0.4	0.456	0.1257	1

　　接着我们按所使用的磁芯和绕线管计算线圈的绕组节距，则可计算出一次线圈一层的匝数为：

23.6/r-1=50.8匝，取51匝

　　式中：23.6——变压器实际绕组节距，根据EI(E)-35型绕线管，以及考虑到要在绕线管两端装上2mm的绝缘带，以取沿面放电的最短距离，实际绕组的高度是27.6-4=23.6mm；
r——线圈外径，0.456mm。
　　因此层数为N₁/S₁=2.9，取3层。
　　同理可确定二次和三次均只需一层，结果如表2所示。最后要检查线圈的厚度是否达到绕组节距的厚度。
　　线圈厚度：d=(∑r×l+∑dt)×1.3
　　式中：r——线圈外径,mm；
l——层数；
dt——绝缘胶带厚度，mm。
　　经计算可知厚度d=6.45mm，未达到绕组节距7.55mm
4.7　开关功率管Q₁的选用
　　按4.3项的设定进行计算，有N₁₃=0.027,i_1p=0.98A，所以T_on=i_1p*L₁/V₁=15.2μs，而T=
　　下面再就输入电压最高、输出电流I₀₁、I₀₂最大的情况下加以计算，由V_1max=360V，P₂=44W，I_1P，同样可求T_on=8.1μs，T=21.2μs,f=47kHz,α=0.38。
　　功率管V_DS波形如图3所示，由此可求Q₁的漏极电压峰值V_DSP，680V。可选用耐压为700V的功率管，如BU508A型三极管，其V_cep=700V,I_cp=8A,P_cp=125W。

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图3　功率管V_DS波形

4.8　输出二极管D₁₁，D₁₂及D₁₃的确定
　　通过D₁₁的电流同I₃，但实际上需考虑T_off时反向漏电流通过的问题，T_off时反向电压V_dr为：

Vdr=V₀₂+V₁×N₁₃=10.9V

　　可选用肖特基势垒二极管，故D₁₁选用D₅₅M3M，其峰值反向电压额定值为30V。
　　同理确定±12V输出二极管D₁₂、D₁₃

　　可选用肖特基二极管S2S6M
4.9　输出电容的确定
　　通过±12V输出电容的纹波电流I_c=I_2p-I₀₁，如图4所示。

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图4　输出电容的纹波电流

　　因而可确定选用25V，2200μF的电解电容。
　　同理可求出5V输出漏电容的有效电流值I_crms=5.5A，因而可选用25V，2200μF的电解电容器4只并联。

5　结论

　　根据给定设计参数，进行了设计并制造了样机，调试获得成功。该开关电源是绝缘变换器中最简单的一种。但变压器利用率差，只限于制作输出容量小于100W的直流稳压电源。
　　该电路的特点是占空比与输入电压成正比(频率成反比)，不受负载影响(占空比不变，但频率与输出电流成正比下降)，因而容易进行大范围控制。

作者简介：张金波，1967年生，讲师。1993年4月毕业于阜新矿业学院研究生部，获工学硕士学位，曾参加完成《螺旋滚筒性能研究》课题，已通过部级鉴定，发表学术论文10余篇，现在河海大学常州分校信息学院从事教学和科研工作。

作者单位：张金波　徐晓龙　王晓燕　河海大学常州分校信息学院　常州 213022
　　　　　　王爱兵　兖矿集团常州科研所　常州 213002

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