基于Mathcad的反激式开关电源设计

陈定武，张博超

（珠海格力电器股份有限公司,广东珠海,519070）

基于Mathcad的反激式开关电源设计

陈定武，张博超

（珠海格力电器股份有限公司,广东珠海,519070）

反激式开关电源具有体积小、成本低、运行可靠，高效提供多路直流输出，输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出。本文基于Mathcad计算软件设计一款输出（15V/0.7A）的单端反激式开关电源。

Mathcad；反激式；开关电源；高频变压器

0 引言

小功率开关电源是家用电器产品中重要的部分。随着开关电源芯片和功率开关MOS管技术的发展，开关电源设计趋于小型化、高频化,对比早期线性串联稳压电源，单端反激式开关电源有着输出纹波小、重量轻、效率高、输出电压范围宽等优点。使用Mathcad计算工具进行设计一种离线反激式电源是简单而高效的方法。

1 单端反激式开关电源基本工作原理

在反激式开关电源拓扑中，开关芯片内部MOS管导通时，变压器初级绕组开始储存能量，负载电流全部由输出滤波电容提供，当开关芯片内部MOS管关断时，变压器初级将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，补偿输出电容单独提供负载电流时消耗的能量。

单端反激式开关电源有两种工作方式：(1)断续电流模式(DCM)：断续电流模式工作初级电流前端没有阶梯，在关断瞬间次级电流是衰减的三角波，在下一个周期开始之前衰减到零，下个周期开始之前开关管导通期间储存于初级的能量已完全传递到次级负载；(2)连续电流模式(CCM)：连续电流模式工作初级电流有前沿阶梯且沿斜坡上升，在开关管关断期间，次级电流为阶梯上叠加衰减的三角波，开关管再次导通时，次级仍然维持有电流。

2 Mathcad软件介绍和功能特点

Mathcad是美国PTC公司旗下的一套可让使用者求解、分析和共用最重要的工程计算的数学软件，作为工程计算的全球标准，与专有的计算工具和电子表格不同，Mathcad 允许设计者利用详尽的应用数学函数和动态、可感知单位的计算来同时设计和记录工程计算。独特的可视化格式和便笺式界面将直观、标准的数学符号、文本和图形均集成到一个工作表中。 Mathcad使用类似于在黑板上写公式的方法让使用者描述待求解的问题，并实时将计算结果显示在屏幕上，使设计者专注于对问题的思索免去繁琐的求解步骤。

3 Mathcad设计实例

本实例使用Mathcad设计一款输出（15V/0.7A）的单端反激式开关电源，工作电压范围是85V-265V。采用ST公司开关电源芯片VIPER26，高频变压器选择EE20磁芯，具有输出过载和短路保护功能。通过Mathcad计算，清楚知道各环节实际数据，并可随时修改输入参数，输出参数自动随着改变，根据掌握的电源理论知识一步步计算出所需电路关键参数，达到预期的设计目标。

3.1 开关电源电路参数设置

Vacmin=85V,Vacmax=265V,Vdcmax=Vacmax=374.767V，F=50Hz,输出电压Vo=15V,输出电流Io=0.7A,开关芯片频率fs=60kHz,输出功率Po= Vo×Io=10.5W,工作效率η=75%,输入功率Pin=14W。

3.2 计算初/次级匝数比

开关电源芯片VIPER26开关管耐压Vmos:=800V,次级输出二极管反向耐压Vd=100V,正向压降Vf:=0.5V，变压器设计涉及规则较多，匝数比确定了不考虑漏感尖峰时开关芯片MOS管应承受的最大关断电压应力，选择的匝数比应尽可能使开关管Vmos小。

3.3 计算最低输入电压和最大工作占空比

输入电容按照2-3uF/W选择，Cin:=22uF,初始化时间Tc:=3ms。

输入电压Vinminc:=

3.4 计算初级临界电流均值和峰值

按照最小输入电压，最大输出功率(Pomax)的条件计算，变压器初级临界电流均值Iin_avg,峰值Ipk1。

3.5 开关电源高频变压器各参数计算

变压器磁芯面积Ko：=0.4，Kc:=1，Bsat:=0.93T，

磁芯材料选用PC40，磁芯类型选择EF20：Ae:=0.335cm2,Ve：=1.5cm3,Aw:=0.6048cm2

AP:=Ae·Aw=0.203cm4；0.203cm4＞0.042cm4

变压器初级匝数Np、次级匝数Ns、辅助绕组Nvcc及气隙长度Lg

副边电流直流分量：Isdc:=1A

4 试验结果及分析

当输入电压为220V时，在额定负载情况下，测试两路输出电压波形，电压波动非常小。15V的纹波小于±90mV左右，符合设计要求。当输入电压在85V到265V调整变化时，测试输出电压的幅值和纹波均在允许范围内，没有出现开关电源重启复位现象，再对电源的保护功能测试，使电源的输出过载或短路时，开关电源自动出现复位重启保护，输出负载正常时开关电源恢复正常工作。

5 结语

本文基于Mathcad软件设计的单端反激式开关电源具有良好的工作效率和高可靠性。该电源拓扑结构简单，具有良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应，大幅缩短设计时间，从而进一步提高电源设计团队的工作效率。

[1]王志强等译.开关电源设计（第二版）[M].电子工业出版社，2005,9.

[2]王正仕，张军明译.实用开关电源设计[M].人民邮电出版社，2006,4.

Design of flyback switching power supply based on Mathcad

Chen Dingwu,Zhang Bochao
(Zhuhai GREE electric appliance, Limited by Share Ltd,Zhuhai Guangdong,519070)

The flyback switching power supply has the advantages of small size, low cost, reliable operation, high efficiency and multi channel DC output. When the input voltage fluctuates in a large range, the output can still be stable. In this paper, a single ended flyback switching power supply based on Mathcad software is designed and analyzed.

Mathcad;flyback;switching power supply;high frequency transformer