单端反激式开关电源的设计及仿真研究

1引言

由于开关电源既节能又带来巨大的经济效益，引起社会各界的重视而得到迅速推广。随着电源技术的飞速发展，高频化、小型化、集成化成为开关稳压电源的发展趋势。单端反激式开关电源不仅具有体积小、效率高、线路简洁、可靠性高的优点，而且有自动均衡各路输出负载的能力，所以常常被用于设计大功率高频开关电源的辅助电源或功率开关的驱动电源^[1-2]。PSPICE软件是EDA领域最负盛名的公司ORCAD所开发的通用电路模拟仿真软件。

与其他的仿真软件比较，PSPICE具有很多优点：增加了模型和元器件的种类，用户可以直接调用模型库中的元器件，也可以根据实际的需要修改模型的参数，或是建立自己的模型；运用PSPICE建立的模型比较精确，可以更好的模拟实际电路；由于利用PSPICE对电路进行分析不需要实际的元器件，因此，在仿真中不会受到元器件的数量和类型的影响；PSPICE的操作比较简单，实用性强，利用它用户可以对复杂的电路进行仿真，减少电路设计的周期和费用。PSPICE具有良好的人机界面和控制方式，通过波形分析窗口，用户可以方便观察输出波形的性质，对电路的设计有重要的指导意义。

2单端反激式开关电源的基本原理

开关电源是将交流输入（单相或三相）电压变成所需的直流电压的装置。电路主要由输入电磁干扰滤波电路、输入整流滤波电路、功率变换电路、输出整流滤波电路等组成。开关电源的基本原理如图1所示，控制电路是一个由输出电压反馈控制环和电感电流反馈控制环组成的双闭环控制系统。其中，电流环能使输入电流跟踪输入电压的变化接近正弦，电压环使电压稳定的输出。其基本原理是:交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到直流电压U1，通过功率开关管VT或MOSFET斩波、高频变压器T降压之后，输出所需的高频矩形波电压，最后经过由VD、C2组成的输出整流滤波电路，得到需要的高质量、高品质的直流电压UO输出。利用电流检测电阻将开关管的电流转化成电压反馈信号，然后再与电压控制环检测到的电压进行比较，产生PWM波，进而控制输出电压的大小。

图1单端反激式开关电源的基本原理图

3单端反激式开关电源电路的设计

本文对多功能单端反激式开关电源电路的设计，只集中在高频变压器和控制电路的设计。控制方法有：峰值电流控制模式，它是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法，它不是用电压误差信号直接控制PWM脉宽，而是用峰值电感电流间接控制PWM脉宽；平均电流控制模式，也是一种恒频控制，它的优点是抗干扰性好，缺点是电路比较复杂，设计不合理时会产生振荡；滞环电流控制模式，它是一种变频调制，其优点是工作稳定性好，抗干扰性好，不易产生振荡，缺点是对电感电流要进行全面的检测和控制。比较以上三种控制方法，本设计采用峰值电流控制模式。多功能开关电源的性能指标为：

输入直流电压：170V-700V；

输入电压频率：100kHz；

额定功率：70W；

最大占空比：48%；

操作温度：-10℃～70℃；

输出电压电流：5V/1A，24V/2A，±15V/0.2A，15V×3/0.15A，15V/0.3A；

电压调整率和负载调整率均小于3%，并且具有较高的效率。

3.1.高频变压器设计

变压器的设计方法有很多种，如文献^[3]中介绍的单向设计法和文献^[4]介绍的简便设计方法，对于单端反激式开关电源中的高频变压器可以采用后一种简便的设计方法。其设计流程图如图2所示。

图2单端反激式开关电源中高频变压器简便设计方法的流程图

按照上面的流程计算变压器的参数。

（1）确定变压器的输出功率

在直流输入170V~700V范围内，输出1路5V/1A，1路24V/2A，1路15V/0.2A，1路-15V/0.2A，3路15V/0.15A，1路15V/0.3A的电压。总的输出功率Po=70.25W，所以高频变压器的输出功率取70W。

（2）计算原边绕组的峰值电流

式中：Us取最小值，Dmax为反激变压器的最大占空比，取0.45。计算得IP=1.83A。

（3）计算原边绕组的电感值

原边绕组的电感值由以下公式表示：

式中：Us(min)为输入电流的最小值，Dmax为反激变压器的最大占空比，取0.45，计算得LP=0.42mH。

（4）计算Dmin

当Us(max)时有最小的占空比Dmin。所以当输入电压从最大值变化到最小值时，占空比从最小值变化到最大值。它们之间的关系可以表示如下：

式中：为电压的波动范围系数。带入各数值计算得到Dmin=0.166。

（5）磁芯规格的选择

假设原边绕组线径为dw，则原边绕组所占磁芯窗口的面积可由下面公式计算：

式中：△B——工作磁感应强度的变化值，一般取饱和磁感应强度的一半，即；dw——导线的直径。计算得APP=0.246cm4，取AP=4APP=4×0.246=0.984(cm4)。

（6）计算气隙