车载电源系统开关电源的设计

韩 晓

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510000）

1 开关电源的应用及现状

随着开关电源的应用和推广，其应用的高效性和体积重量的轻便性等特点，使其在电子信息产业发展中承担着越来越重要的角色。目前，开关电源在各种通信终端等电子设备中得到了广泛应用，最具代表性的就是300～500 kHz电源，其制造的核心是金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET），已逐渐发展成为市场主流的DC-DC开关电源。但随着市场化进程的不断推进和现代信息技术的稳步发展，对工作频率的要求也越来越高，因此在未来高频化发展进程的推进中，要切实加强开关电源技术创新和应用探索，继续优化开关电源的质量和体积，进一步拓展开关电源的应用范围[1-3]。

近年来，在高新技术产业和信息产业高速发展的背景下，电子产品和元件的轻便化和集成化要求也越来越高，在未来发展和应用中要紧密结合环境保护和可持续发展理念，在保障高频率需求的基础上，稳步提高开关电源的制造工艺，寻求磁性材料及半导体元件等高新技术和产品应用的突破，为开关电源技术发展提供新的活力，实现开关电源工艺水平的跳跃式发展。

2 基本反馈电路及反激式电源变换器

2.1 基本反馈电路

以DC-DC开关电源为例，电路输出端电压的采集依靠采样电阻R完成。在电压信息采集完成后，将获取到的各项电压变化信息传输到控制芯片，由其完成电压的调控。作为开关电源中最基本的反馈电路，其设计相对简单，成本消耗较低，但稳定性较差，抗干扰能力不强[4]。

2.2 反激式DC-DC电源变换器

以反激式开关电源为例，变压器原边能量的储存是在开关管导通后进行的，其能量储存的来源是电源的能量。能量储存过程中，电流将不断上升，同时会导致副边产生电动势。输出端设置了整流二极管，在其防反功能作用下并不会产生有效的电流。如果开关管突然关断，那么变压器原边的电流会发生突变。在法拉第电磁感应作用下，变压器的副边会产生感应电动势和感应电流，实现储存能量向负载供能。

反激式DC-DC电源变换器的绕组是根据功能需要进行科学设计的，保证了变压器的原边和副边不能同时导通。据上述分析来看，开关管的储能过程是在导通时和关断时完成的，且互相独立，因此此升降压变换器属于衍生拓扑。

3 单端反激式开关电源的设计

本文将选取如1图所示的单端反激式开关电源为例，进行升压单端反激式开关电源拓扑研究。其控制核心是UC3845，开关频率设置为150 kHz，输入为12 V的直流电源，通过DC-DC变换为24 V输出的直流电源，在稳压二极管作用下输出+15 V和-8 V电压。系统中采用的芯片是常见的脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）芯片中的一种，能够借助新品有效控制PWM波实现对系统的综合调控。另外，系统中的Q5是系统的MOS管，能够实现对时间的合理调控和设置，保障系统输出的合理性和整体的稳定性。

图1 单端反激式开关电源原理图

系统的启动是在UC3845芯片控制下进行的，启动之后将在整体调控下开始正常工作。第一个工作周期内芯片需要输出高电压，然后开关管打开后变压器的原边会产生突变电流，同时将进行能量储存。根据储能情况进行控制，一直到储能完成后将控制芯片再输出低电压，此时控制开关管关闭。原边内电流将经过D13的二极管实现续流，此时发生的电流突变将导致副边产生感应电动势，出现感应电流，经过副边二极管D9和D14整流后，再经储能滤波电容出现，最终得到相对稳定的输出电流和输出电压。

如果需要不同的输出电压，输出环境变化会通过系统进行反馈和调整，保证输出电压和电流的合理性。一旦输出端的负载变大，则其功率将瞬间增大，电压将会突变减小。如果其低于正常的工作电压，那么将会在输出电路端进行检测完成系统反馈。该系统反馈过程的原理是基于准电压的反馈电路，通过TL431完成，在光耦的联通下连接到FB引脚，反馈到控制芯片。控制芯片UC3845得到反馈电压等信息后，结合输出电压的变化信息合理控制PWM的占空比，保证在输出电压降低后，为其提供更多的能量保障电压的稳定。此外需要合理增加占空比和开关管的开通时间，保障原边能够储存更多的能量，保证输出端电压需求。储能结束后关闭开关管，将更多的能量传输给输出端，当输出能量需求变少或输出负载变低时，反馈原理相同，达到稳定的输出状态[5]。

3.1 单端反激式开关电源的相关参数设计

本文选取单端反激式开关电源为例，合理分析和设计几个相关参数。

传统的变压器原边和副边两端电压的比例和电流的比例是由匝比决定的，由于原理和设计的不同，导致反激变换器相关数值计算也有所差异。具体原因是其绕组不同时导通，所以要计算原边和副边的电压，综合计算输入电压VIN和占空比等数据。在开启开关管的过程中，VIN电压只作用在变压器的原边，所以电压VINR=VIN/n。其中n是电压器的匝比，VINR是副边电压，但由于副边的整流二极管存在，导致副边此时并没有电流流过。

综上，变压器绕组之间的电压VP和VS可以通过感应电压方程来计算，电压转换后的数值为：

式中，NP、NS分别表示其绕组的匝数；表示磁通变化率。

通过计算能够得到传统变压器的电压成比例，也能够进一步揭示出传统变压器的匝比关系影响下的电压变化等情况。但在反激式变压器中，原边和副边是不同时导通的，所以诠释反激式变压器的电流比等情况，还需要从能量的角度出发根据其特点综合考虑[6-8]。

其中，磁芯的能量为：

虽然反激式变压器原边和副边的导通时间不一样，但各个绕组的能量在不同时间必然等于上式的磁芯能量。那么：

式中，LP是原边的电感值（开路状态）；LS是副边的电感值（开路状态）。电感公式为：

式中，AL为设计时定义的电感系数。所以，在反激式变换器中有：

带入能量方程可得出：

这就是正常工作状态下的变压器电流和匝比的关系。

3.2 单端反激式开关电源应用功率范围

单端反激式开关电源在应用过程中，应用功率普遍不高，通常维持在100 W左右，而且是在开关管关断期间完成的。开关管开通过程中不需要为负载提供输出功率，为保证变压器能够复原，设计的占空比就不能大于0.5。另外考虑到单端反激式开关电源在应用过程中具有体积小和质量轻等特点和优势，所以在设计过程中往往设计为低功率。如果强行将单端反激式开关电源设计成高功率输出，会增大变压器的体积，增加设计成本，在使用时也会增加系统的损耗，降低开关电源的效率，所以大功率的DC-DC转换器都不使用单端反激式的开关电源方案[9,10]。

4 结 论

单端反激式开关电源在设计和应用过程中，电路设计简单，体积小且质量轻，不需要正激式开关电源的大体积储能滤波电感，也减少了续流二极管的配置，使其在体积设计上具有了更大优势，大大降低了设计成本。此外，单端反激式开关电源不仅具有储能功能，而且变压效果和隔离作用较好，波纹干扰较少，使得输出电压更干净，满足多路输出和小功率应用需求。