基于LM25183的反激式开关电源设计

彭建伟，王少杰，徐 剑

（邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000）

0 引 言

随着电力电子技术的发展，反激式开关电源由于效率高、功耗小、高隔离、体积小等优点已经广泛应用于工业产品、电子通信与航空领域，作为其控制系统中的辅助电源[1]。在电力电子设备追求高密度，高功率的背景下，为了进一步减小体积，辅助电源往往由变频器的直流环节供电。与传统的输入电压为市电的开关电源相比，这种供电方式使电源开关器件在关断时刻承受更高的电压应力。除了选择具有适当耐受电压的开关管外，还需要设计箝位电路以有效吸收漏感能量。参考文献[2]对液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）箝位电路，TVS箝位电路、剩余电流装置（Residual Current Device，RCD）箝位电路进行了比较，指出RCD箝位电路因其结构简单、功率效率高而被广泛应用。文献[3]为了解决准谐振控制带来的开关频率变化范围大的问题，设计了一种多模式控制方法，使准谐振模式下的开关频率非常低，系统将工作在连续电流模式下，从而在低输入电压和高负载条件下提高功率效率。

1 开关电源芯片LM25183

LM25183是一款初级侧调节(PSR)反激式转换器，具有高效率，对隔离输出进行电压采样，固定频率脉宽可调的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）控制芯片，其内部结构如图1所示[4]。该芯片具有以下优点。

图1 LM25183芯片内部结构

（1）金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）在边界导通模式（Boundary Conduction Mode，BCM）模式下能够实现准谐振关断，因此可以实现低电流甚至零电流关闭[5]。

（2）具有单输出和多输出的功能。

（3）内部环路补偿。

（4）超低的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）传导。

2 反激式开关电源工作原理

反激式开关电源拓扑结构如图2所示，直流输入电压由Ui输入，经过输入保护电路和EMI滤波电路，全桥整流，再次滤波，使输出变得平滑，通过功率开关管以及高频变压器，之后输出整流滤波；功率管以及高频变压器内部结构如图3所示，Np、Ns为变压器初级、次级绕组匝数，初级绕组加到开关管的漏极，当开关管导通时，初级绕组是上正下负，次级绕组是上负下正，二极管截止，此时没有输出。当开关管关闭时，此时初级绕组是上负下正，次级绕组是上正下负，二极管导通，线圈开始放能，此时输出电压，变压器在储能放能过程中，线圈遵守伏秒平衡守则。

图2 反激式开关电源拓扑结构

图3 功率管以及高频变压器工作原理

3 确定系统要求与电路设计

本次设计的开关电源系统指标如下：输出电压为15 V输出，输入电压为4～42 V的宽输入电压范围，典型输入电压为Uin为24 V，输出功率Po为8 W，工作频率Fs为300 kHz，最大磁通密度Bmax为0.20 T，工作效率η为85%。

3.1 变压器参数设计

根据系统需求，可以知道输入电压为Uin=4.5 V，Umax=42 V，输出功率为8 W，输出电压为+15 V，计算输出电流为

输入功率为

低压满载时原边峰值电流为

占空比为

励磁电感量为

利用AP法进行磁芯选择，即：

暂磁芯为EE25磁芯，其磁芯参数如表1所示。

表1 EE25磁芯参数

实际磁芯AP值为

原边绕组匝数为

副边绕组匝数为

3.2 RCD箝位保护电路

当MOS管开关断开时，由于漏感的影响，高频变压器的一次绕组会产生反射电压和峰值电压，直接施加到MOS管的漏极上，未加保护，开关管上的寄生电容很小，很容易击穿。因此，在初级绕组与开关管之间加RCD箝位电路，如图4所示。当开关管关闭时，形成的峰值脉冲能量先将开关管的寄生电容充满，随后通过D1，对C1进行充电，直到C1两端电压大于开关管两端电压充电结束，电容C1通过对R1进行放电，存储的能量通过电阻消耗，电阻起到缓冲接收电压峰值的作用，进而保护开关管。对于D1耐压值的选型，选择理论耐压值为80 V，在实际测试中耐压值为32.8 V，如图5所示，符合设计要求。

图4 RCD钳位电路

图5 二极管尖峰电压

3.3 采样电路设计

本次设计的反激式开关电源采用双闭环结构，它们是内环的电流反馈环和外环的电流反馈回路。内环的电流反馈回路由外部电压控制，它由控制回路控制，最终输出为电压值。首先要考虑内部的电流环。

常用的电流检测有外接电阻检测法，霍尔传感器检测法、电流互感器检测法。霍尔传感器检测法与电流互感器检测法由于体积大、误差大、功率损耗较大，不适合用于本次设计的反激式开关电源，因此采用外接电阻检测法较为妥当。

LM25183芯片内部具有精密电压调节器，对基准电压具有可调节性。内部具有2.5 V的基准电压，可以对输出电压进行调节，在2.5～36 V调节稳定输出电压。

4 验证结果分析

利用Simplis仿真软件搭建了仿真模型，对所叙述的拓扑原理及参数进行防真，对印制线路板（Printed Circuit Board，PCB）进行实物测试。

效率测试结果如表2所示。

表2 效率测试结果

输出波形如图6所示。

图6 输出波形

5 结 论

本文提出反激式开关电源DC-DC的电源方案，由LM25184芯片驱动MOS管，采用AP法进行变压器设计，利用准谐振技术，降低交叉损耗，实现了低电流关闭、低电压导通，对开关管采用RCD钳位保护电路，实现开关电源的功率变换电路，由4.5～32 V的直流电稳定转换成+15 V直流电，通过实验仿真与实物测试结果分析，设计的反激式开关电源可以稳定的输出+15 V电压，输出电压开机时间为17 ms。通过Simplis仿真软件进行仿真，通过结果可以看到，工作比较稳定，效率满足要求，结构简单，为反激式开关电源提供有利的依据。