多路输出反激式开关电源的设计

练新平

摘要：多路输出反激式开关电源主要是以UC3844作为控制核心，详细设计了缓冲吸收、EMI滤波、启动与驱动、高频变压器等多种具体模块电路，并对开关电源电路参数进行优化设计，验证设计样机的合理性。

关键词：多路输出;反激式开关电源;技术参数;变压器

中图分类号：TN86

文献标识码：A

DOI：10.15913/j.cnki.kj ycx.2019.08.058

1 系统设计

l.l 电源设计

此次设计的开关电源技术参数如下：输入电压220V，输出电压+5 V/2A;+24 V/lA;±15 V/0.5A;12 V/0.2A;纹波小于l%;输出功率为52W。该开关电源应用在电机控制中。12V输出绕组为芯片UC3844供电，15V为IGBT逆变器供电，24V为继电器供电;5V绕组为输出绕组，不仅能够稳压，还能够作为电机控制所应用的数字5V电源。其中Tl为高频变压器，该电路输入为220V交流，在整桥整流滤波之后，在变压器输入端达到300 V直流电压。经过芯片PWM脉宽控制稳压之后，能够得到5路输出。

1.2 变压器设计

在设计开关电源时需要注重变压器设计，电源性能会直接影响变压器设计合理性。

变压器输出功率和输入功率估算方面，按照输出电压和输出电流设计大小对总输出功率进行计算，公式如下：

通常情况下，KRP数值为0.4，如果交流输入电压为230 V，则数值选取为0.6.单片反激开关电源在CCM模式下连续运行。充分考虑器件资料，则开关电源设计KRP数值选择为0.7.

确定变压器磁芯尺寸。相比于成品电感来说，磁性元件电感在设计期间需要增加气隙从而加强磁芯储存能量的能力，如果不存在气隙，磁芯在存储少量能量之后就会出现饱和。在增加气体比较大，则会相应加多匝数，从而加大绕组铜耗。其次，增加匝数会相应加大绕组占用窗口的面积。因此在实际设计期间需要考虑多种因素，利用下式进行计算：

在变压器设计期间要考虑体积和铜耗问题，因此可以将上式r值设置在0.5，代入公式中可得，磁芯尺寸在7.109 m3。

1.3 选择控制芯片

PWM控制芯片是开关电源的控制核心，此种芯片选择型式比较多，不同型式所对应的工作温度范围也不同，此次设计主要选用UC384x系列。由于单端反激结构存在变压器绕组反电动势，因此，在关断时开关管承受电压为：式（l）中：q为占空比。

1.4 控制芯片驱动电路及计算定时电阻电容

1.4.1 驱动电路

驱动电路电压为16V，在开启电源之后，经整流滤波的交流电能够获得直流电，利用电阻降压后能够为其提供电能，当电压满足16V之后，启动芯片会产生波形驱动信号，与栅极阻尼电阻进行串联。在进入正常运行状态之后，电源变压器副边绕组所产生的交流电经过整流滤处理之后能够为芯片提供电源。因此，在设计期间需要处理好芯片供电问题，对于此次所使用的芯片来说，其供电电路为：输入电压经整流处理之后会通过大阻值电阻向芯片供应电源，电源运行之后会由馈电绕组接替向芯片供电任务。在此期间为了确保芯片运行稳定，需要选择阻值适宜的电阻向芯片提供电源，芯片运行电压在13V左右，为了使其正常运行，则需要确保供电电压数值超过16V。芯片待机电流为0.5 mA，工作电流为10 mA，最大电压为36V。

1.4.2 计算定时电阻和电容

定时电阻电容会直接决定芯片输出功率，然而在开始计算时需要详细了解芯片电压基准。芯片内部电压基准为5V，此电压基准被当作电路供电来源，还能够为电压反馈电路提供电源，并且对初期芯片运行状态进行调试。在芯片数据中详细说明了定时部分电压情况，其通过定时电阻向定时电容放电，在充电至2.8 V之后会触发电流源，并且对电容放电，直至1.2 V停止放电，此时电容再次充电。在充放电过程中明确芯片振荡频率。在此次应用的芯片中，振荡频率就属于输出开关频率。此外，定时电阻和电容不仅会对芯片输出开关频率造成影响，还会对芯片输出波形占空比造成影响。定时电路电阻比较大且电容比较小时，充电过程比较长，放电过程比较短，此时就会加大输出波形占空比。如果右侧定时电路电阻较小且电容比较大时，放电过程会占据振荡周期很长一段时间，此时输出波形占空比就会控制在有限范围内。

1.5 选择与设计EMI滤波电路

开关电源在运行期间会受到干扰，并且电源会通过耦合通道影响开关电源、电网和其他设备。将EMI滤波器应用到电源输入端上能够对差模干扰和共模干扰起到消除作用。EMI滤波电路降低干扰的方案主要包括以下几点：①应用Y电容和Ⅱ型滤波器方案中处理;②应用Y电容、X电容和共模电感所组成的滤波器。

图1中的（a）与（b）属于结构简单的滤波器，L为共模电感，两图最大区别在于滤除差模干扰电容位置不同。图1 （c）中的CI和C2主要是对差模干扰起到滤除效果，L、C3和C4为滤除共模干扰。在产生共模干扰影响时，共模电感中线圈磁通方向一致，在经过耦合之后会增加总电感量，并且对共模信号表现出比较强的感抗，对共模信号干扰影响起到抑制作用。图1中R为泄放电阻，可以释放C3所积累的电荷，以免由于电荷累积对滤波特性造成影响。在断电之后会导致电源出入端间不带电，确保操作安全性。此次设计选择的滤波器内部包含滤波电容和共模电感，这样能够有效消除差模干扰和共模干扰。

2系统测试

空载条件下输出波形图中5V输出为4.60V，15V输出为15.3 V，输出电压比较稳定，且具有较高的电压准确度，因此表明电路模块取值满足相关标准。

3 结束语

综上所述，在多路输出反激式开关电源的设计期间，首先需要明确设计方案和各元器件参数，之后制作硬件，在制作期间需要详细检查每项步骤的安全性和正确性，完成制作之后需要联合电路图对元器件极性和型号进行核对，并且检查硬件电路连接与电路图的一致性，这样才能够确保多路输出反激式开关电源的设计效果。

参考文献：

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