國鳳娟　王福鑫

摘要：薄片電源的設(shè)計對于電路設(shè)計要求比較特殊，既要保證產(chǎn)品尺寸比同類產(chǎn)品小，又要保證性能參數(shù)與同類產(chǎn)品一致甚至更為嚴(yán)格，同時要求高效率、低紋波、高可靠、工作溫度范圍寬等。該文通過分析計算，選用單端正激諧振磁復(fù)位技術(shù)，實現(xiàn)30W 單路輸出薄片電源的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：單端正激；諧振磁復(fù)位；薄片電源

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）11-0242-03

1 引言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，對產(chǎn)品的小型化、高性能、輕量化和低成本的需求愈發(fā)迫切。

某船舶電子設(shè)備需求5V供電，本文對以28V母線、30W輸出的小體積薄片電源模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計及分析。其基本電氣指標(biāo)要求包括：輸入電壓范圍16V～40V，輸出電壓5V（6A），紋波電壓≤50mV，容性負(fù)載≤2000uF，產(chǎn)品高度8.0mm，比同類產(chǎn)品高度低20%。

2 電路的詳細(xì)設(shè)計

2.1 設(shè)計難點

對比國內(nèi)外同系列單路電源模塊，輸出電流一般為5A，容性負(fù)載為300uF，產(chǎn)品高度約為10.16mm，而該模塊電源要求輸出電流達(dá)到6A，容性負(fù)載達(dá)到2000uF，產(chǎn)品高度約為8mm。如此高的性能指標(biāo)要求，常規(guī)的基于RCD磁復(fù)位技術(shù)的單端正激拓?fù)錈o法實現(xiàn)，考慮采用基于諧振磁復(fù)位技術(shù)的單端正激拓?fù)?，新技術(shù)使產(chǎn)品在軟開關(guān)準(zhǔn)諧振條件下工作，產(chǎn)品效率相對于RCD磁復(fù)位提高，達(dá)到了降低產(chǎn)品開關(guān)噪聲、提高產(chǎn)品效率的效果。

產(chǎn)品動態(tài)特性要求高，必須保證產(chǎn)品反饋網(wǎng)絡(luò)具有足夠高的增益，電路穩(wěn)定性設(shè)計難度較大，我們通過計算分析、相位分析儀掃頻分析等方法，采用三級補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償，最終保證產(chǎn)品反饋網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬的前提下，留有相位裕度和增益裕度，保證產(chǎn)品穩(wěn)定性。

2.2 主功率轉(zhuǎn)換電路計算分析

2.2.1 主功率拓?fù)涔ぷ髟?/p>

電路采用單端正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本原理如下：未穩(wěn)壓的輸入電壓經(jīng)過濾波電路，接入變壓器的初級端，通過脈寬調(diào)制電路來控制變壓器初級電壓的導(dǎo)通時間，變壓器初級電壓耦合到次級，經(jīng)過整流濾波得到輸出電壓5V。線性穩(wěn)壓電路將從5V取樣的電壓與基準(zhǔn)電壓比較，其產(chǎn)生的誤差信號通過光耦隔離方式傳輸?shù)匠跫墏?cè)PWM控制器，來控制PWM的占空比，當(dāng)輸入電壓降低或負(fù)載加重時，占空比增加，反之亦然，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓。

2.2.2 PWM 控制的選擇及應(yīng)用設(shè)計

本電路中選用TI 公司的成熟PWM控制芯片UC1843A， 該芯片為電流型PWM，具有功耗低、功能齊全，應(yīng)用方便、驅(qū)動能力強(qiáng)等優(yōu)點，不需要外加驅(qū)動電路，在中小功率單端正激拓?fù)銬C/DC變換器中廣泛使用。

2.2.3 功率變壓器設(shè)計

2.2.3.1 磁芯選擇

本設(shè)計選取電路工作于CCM模式，工作頻率在500kHz，根據(jù)TDK手冊中特性曲線可選擇PC50材質(zhì)。采用AP法計算磁芯尺寸，相關(guān)計算如下：

其中：AP是Aw、Ae的乘積（cm4），即磁性窗口面積與磁芯有效面積的乘積；

PT=VPIP+VSIS，為原邊和副邊的功率之和，稱為變壓器的視在功率（W）；

Ko為使用系數(shù)，與線徑、繞組有關(guān)，一般取Ko=0.4；

Kf為波形系數(shù)，方波時Kf=4；

fs開關(guān)工作頻率（Hz）；

BW為工作磁通密度（T）；

Kj為電流密度比例系數(shù)，X為常數(shù)，由磁芯決定，常用磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)參見表1。

磁芯的選擇就是選擇合適的AP值，使變壓器輸出功率PT時，銅耗鐵耗引起的變壓器溫升在額定的范圍內(nèi)。通過計算得到AP值，查表選擇合適的鐵氧體的Aw、Ae的乘積。查TDK手冊可選用PC50 RM5型磁罐，由于產(chǎn)品高度限制，將PC50 RM5型磁罐高度減小。

2.2.3.2 匝數(shù)計算

根據(jù)工程經(jīng)驗，取開關(guān)頻率f=500KHz，最大占空比D=0.45，磁振幅△B=0.1T，RM5磁芯截面積Ae=23.7mm2。計算得最大開啟時間Ton=D/f=0.9us，T=1/f=2us。

16V輸入時占空比最大，考慮衰減，取變壓器兩端電壓Vp=15.5V，考慮寄生參數(shù)、磁性元器件復(fù)位等，綜合優(yōu)化取△B=0.1T，匝數(shù)計算如下：

Np=（Vp×Ton）/（△B×Ae）=（15.5V×0.9us）/（0.1T×23.7mm2）=5.88≈6匝

初級每匝電壓為2.67V/匝。

考慮輸出整流管、繞組等壓降，計算變壓器次級電壓：

Vs=（Vo+ VD+ VL）/D=6/0.45=13.3V

計算次級匝數(shù)如下：

Ns=Vs/V1=13.3V/（2.67V/匝）=4.9匝。

試驗后，取Ns=4匝。

驗證，Ton= （T*Vs/Ns）/（Vs/Ns+Vp/Np）=（2us*6V/4匝）/（6V/4匝+15.5V/6匝）=0.73us，占空比D=Ton/T=0.73us/2us=0.37，滿足設(shè)計要求。

2.2.4 PWM控制器輔助電源設(shè)計

PWM控制器芯片UC1843A所需供電電壓約8.4V，電流約為17mA，功耗約為0.1W，相對較小。其供電選用典型串聯(lián)式穩(wěn)壓電路給PWM供電，電路簡單、可靠。PWM供電電路如圖1所示，D3選用11V穩(wěn)壓管，R1選擇10kΩ電阻，Vin=40V時R1、N2損耗最大，R1最大功率損耗PR1=（40V-11V）2/10000Ω=0.0841W，N1最大功率損耗PV2=（40V-11V）×0.017A=0.493W，N1所選器件額定功率1W，滿足降額。

2.2.5 隔離功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

功率轉(zhuǎn)換主要器件為MOSFET，選擇的原則是在滿足電壓、電流降額的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選用導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快的器件，這樣能有效減小驅(qū)動損耗和MOSFET的開關(guān)損耗。

本電路選用的MOSFET漏源極額定電壓達(dá)到150V，額定最大漏極電流為15A，實際漏源極電壓VDS=2.6*VIN=104V，漏源峰值電流為IDS=NS*IOUT/NP=5.625A，完全滿足使用過程中電壓、電流因子的降額，且開關(guān)性能好，需要的驅(qū)動電流很小，開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗較低。

2.2.6 整流電路設(shè)計

計算工作時整流二極管及續(xù)流二極管承受的最大反向電壓及峰值電流，整流二極管最大反向電壓VF 計算如下：VF1=Vo+DmaxVINmax*NS/NP（1-Dmax） 計算得：VF1=11.6V；續(xù)流二極管最大反向電壓VF2 計算如下：V F 2= V I N m a x* N S/ N P 計算得：VF2=26.7V；整流二極管及續(xù)流二極管正向電流峰值與輸出電感CCM 時的最大峰值電流相同，則有：ID1=ID2=IOUT/D 計算得ID=8A。

2.2.7 輸出濾波電路設(shè)計

輸出電感設(shè)計計算

已知產(chǎn)品輸出最大電流IO（max）為6A，設(shè)產(chǎn)品峰值電流Ipmax為8A，取紋波電流系數(shù)k為0.2，最小占空比為45%，選擇P14磁芯材料開氣隙制作輸出電感，控制電感工作時的最大磁通密度BMAX≤0.3T。

在電流連續(xù)時，輸出電感電感量計算公式如下：

計算得：Lo=22uH；

計算電感最大峰峰值磁通擺幅：

ΔBMAX=BMAX×k×IO（MAX）/Ipmax

計算得：ΔBMAX=0.045T；

AP 法計算選擇磁芯，單線圈系數(shù)K1 取0.03：

計算得：電感AP=0.117cm4；

選擇P14 型磁芯（AP=0.1324cm4）。

N=10 匝；

根據(jù)公式L=AL×N2，計算得：電感系數(shù)AL=220nH/N2；

輸出濾波電容設(shè)計計算

設(shè)控制輸出電壓紋波≤ 50mV，根據(jù)輸出電容計算公式計算：

考慮電容在高直流偏置電壓條件下容量下降，設(shè)計選擇47uF電容器。

2.3 產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品采用厚膜混合集成電路技術(shù)，厚膜基板與DBC基板相結(jié)合，將各種裸芯片、厚膜電阻、片式阻容以及磁性器件等進(jìn)行了高密度集成。降低產(chǎn)品殼體高度，實現(xiàn)產(chǎn)品小型化，便于用戶使用。

3結(jié)論

本文基于單端正激諧振磁復(fù)位技術(shù)計算分析，設(shè)計實現(xiàn)了30W薄片電源主功率轉(zhuǎn)換，經(jīng)工程驗證，滿足電路實際應(yīng)用需求。應(yīng)用該種電路拓?fù)?，可有效提高電源效率及電磁兼容性，滿足各類高可靠高性能需求的電子設(shè)備應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)：

[l] 張占松， 蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] Sanjaya Maniktala.精通開關(guān)電源設(shè)計[M].2版.王建強(qiáng)， 等， 譯.北京：人民郵電出版社，2015.