摘  要： 飛兆半導(dǎo)體FSD系列綠色元件實(shí)現(xiàn)的反激式開關(guān)電源具有電路簡單、外圍元件少、總體積小、效率及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。給出了變壓器及RCD電路的設(shè)計(jì)分析，最后根據(jù)示波器測試結(jié)果對(duì)電路的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： 反激式開關(guān)電源；變壓器；RCD

    開關(guān)電源是一種電能轉(zhuǎn)換的表現(xiàn)形式，隨著集成電路的不斷發(fā)展，開關(guān)電源越來越趨向于高頻化、模塊化、綠色化和數(shù)字化[1]。本文主要介紹由飛兆半導(dǎo)體公司研發(fā)的FSD系列綠色器件實(shí)現(xiàn)的反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的目的是將其應(yīng)用于UPS電源中的供電和充電環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信的后備電源。
1 開關(guān)電源的工作原理
    FSDx321系列器件是飛兆半導(dǎo)體公司專用的開關(guān)電源器件，它具有高度集成的特性，將開關(guān)管與PWM控制器集成到一個(gè)芯片里，減少了外部元器件的使用。它的內(nèi)部集成了脈沖寬度調(diào)節(jié)器、抗惡劣環(huán)境FET、高壓電源開關(guān)穩(wěn)壓器[2]。相較于分立的MOSFET、控制器或RCC開關(guān)轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)SDx321減少了總元件數(shù)量，縮小了設(shè)計(jì)尺寸，減小了重量，同時(shí)提高了效率、生產(chǎn)力和系統(tǒng)的可靠性[3]。由它實(shí)現(xiàn)的開關(guān)電源的原理如圖1所示。

     開關(guān)電源采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，核心芯片是飛兆半導(dǎo)體的FSDH321。該部分電路的作用是將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為15 V的直流電。接通交流電源后，220 V的交流高壓經(jīng)過共模電感濾除高頻共模噪聲，通過安規(guī)電容來抑制信號(hào)傳輸?shù)腅MI干擾，經(jīng)過橋式整流、大電容濾波產(chǎn)生一個(gè)約308 V的直流高壓，再通過限流電阻加到芯片的管腳。電路上電后，與VSTR連接的芯片內(nèi)部開關(guān)閉合對(duì)與VCC管腳連接的外部電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到閾值電壓12 V時(shí)，內(nèi)部開關(guān)斷開。電路進(jìn)入穩(wěn)定工作后，由變壓器的輔助繞組提供VCC的工作電壓，C11、C9、C19是濾波電容。FSDx321內(nèi)置的MOSFET在閉合期間，電流在功率變壓器的初級(jí)繞組內(nèi)流動(dòng)，并將電能轉(zhuǎn)換為磁能儲(chǔ)存在變壓器的初級(jí)線圈里[4]。當(dāng)MOSFET斷開時(shí)，由于變壓器繞組內(nèi)的電流不能突變，此時(shí)通過刺激的整流二極管D6將能量傳遞到次級(jí)電路[5]。在MOSFET關(guān)閉期間，由于變壓器漏感產(chǎn)生感應(yīng)電壓加在開關(guān)管的漏極上，若電壓過高可能損壞管子，因此在輸入直流高壓與MOSFET之間設(shè)計(jì)了能夠吸收電壓尖峰的RCD吸收緩沖電路。電路的輸出電流可通過與IPK連接的外部電阻來調(diào)節(jié)。當(dāng)IPK懸空時(shí)，電路具有最大輸出電流700 mA。采樣電阻R10通過將采樣電流轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)與TL431組成的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較來控制JC817的內(nèi)部發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，內(nèi)部的光敏三極管接收到不同的發(fā)光強(qiáng)度后反饋給芯片的VFB端來調(diào)節(jié)電路正常工作的占空比。圖1中的C22、C14、C15、C23、C16、C17是輸出濾波電容[6]，由于輸出的濾波電容具有濾除紋波的作用，如果電容的ESR過高，將會(huì)產(chǎn)生較大的等效能量，這個(gè)能量在電容上會(huì)產(chǎn)生熱量，長時(shí)間的積累將會(huì)損壞電容，故將C22和C23設(shè)計(jì)為高頻低阻系列。
2 開關(guān)電源參數(shù)的設(shè)計(jì)
2.1 變壓器的設(shè)計(jì)
    反激式電源變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一是變壓器的設(shè)計(jì)。此處的變壓器不是真正意義上的變壓器，而是一個(gè)由磁芯和線圈構(gòu)成的能量存儲(chǔ)裝置。在變壓器初級(jí)導(dǎo)通期間，能量存儲(chǔ)在磁芯的氣隙中，關(guān)斷期間存儲(chǔ)的能量被傳送給輸出。初、次級(jí)的電流不是同時(shí)流動(dòng)的，因此它更多地被認(rèn)為是一個(gè)帶有次級(jí)繞組的電感[7]。變壓器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循在最壞的情況下也能穩(wěn)定工作的原則，也就是開關(guān)電源處于最低電壓最大負(fù)載情況下能夠穩(wěn)定工作，此時(shí)變壓器一次側(cè)的電感量為：

    變壓器設(shè)計(jì)為一個(gè)反復(fù)驗(yàn)證的過程，初步計(jì)算完成后，應(yīng)通過最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和趨膚效應(yīng)的大小來驗(yàn)證其合理性，如果不合適應(yīng)重新設(shè)計(jì)以滿足要求。
2.2 整流二極管和濾波電容的選擇
    在開關(guān)電源中，整流二級(jí)管及濾波電容的選擇應(yīng)根據(jù)電路的最大感應(yīng)電壓和電流的有效值，在選取時(shí)要使器件留有足夠的裕量[9]。通常取二極管的反向電壓大于2倍的直流輸出電壓，正向電流大于1.5倍的直流輸出電流。濾波電容的選擇主要考慮電源通過時(shí)的紋波電壓大小及耐壓值是否足夠大，綜合考慮應(yīng)選取高頻低阻系列。
2.3 RCD鉗位吸收電路
    RCD吸收電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的特點(diǎn)，所以在以集成電路為核心的開關(guān)電源里應(yīng)用廣泛。但是由于RCD電路的鉗位電壓會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，如果參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響開關(guān)電源的效率。它的原理圖如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及設(shè)計(jì)總結(jié)
    通過最終產(chǎn)品的運(yùn)行證明該設(shè)計(jì)能滿足需要的各項(xiàng)功能。開關(guān)電源工作在100 kHz的輸出電壓是15 V，紋波電壓控制在1%左右。輸出電流是0～700 mA，電源在115 VAC～245 VAC輸入的范圍內(nèi)工作效率大于80%。電源小板的大小只有80 mm×45 mm。圖3和圖4是用示波器所測的開關(guān)電源的直流輸出及紋波電壓波形。

    由圖可知，實(shí)際測量值滿足要求，與計(jì)算吻合。通過圖1可以看出，使用FSD系列電源芯片的外圍元件較少，由于電源芯片內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)和軟啟動(dòng)技術(shù)使得電路的EMI較小，滿足電路對(duì)傳導(dǎo)EMI的要求，且安規(guī)方面也滿足3C認(rèn)證的要求。該電源的設(shè)計(jì)簡單易行，成本較低，適合于需要相同規(guī)格的開關(guān)電源系統(tǒng)，且飛兆的FSD集成電源芯片使得整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)間較少，電路簡單，在成本上具有很大優(yōu)勢。
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