多路输出单端反激式开关电源设计原理
用电阻R5、R6分压获得基准电压值。通过调节R5、R6的值可以调节输出电压的稳压值。C8为TL431的频率补偿电容,可以提高TL43l的瞬态频率响应。C7为软启动电容,取C7=22μF时可增加4ms的软启动时间,在加上TOP222G本身已有的10ms软启动时间,则总共为14ms。
U3为PC817型线性光耦合器,其电流传输比(CTR)范围为80%~160%,,能够较好地满足反馈回路的设计要求,而目前国内常用的4N25、4N26属于非线性光耦合器,不宜采用。反馈绕组上产生的电压经D4、C9整流滤波,获得非隔离式+12V输出,为PC817接收管的集电极供电。由于反馈绕组输出电流较小,次级采用D4硅高速开关管1N4148。光耦PC817能将+5V输出与电网隔离,其发射极电流送至TOP222G的控制端,用来调节占空比。
C3为控制端旁路电容,它能对控制回路进行补偿并设定自动重启频率。当C3=47μF时,自动重启频率为1.2Hz,即每隔0.83s检测一次调节失控故障是否已经被排除,若确认已被排除,就自动重启开关电源恢复正常工作。
R2为PC817中LED的外部限流电阻。实际上除了限流保护作用外,他对控制回路的增益也具有重要影响。当R2改变时,会依次影响到下列参数值:IF→IC→D→UO,也就相当于改变了控制回路的电流放大倍数。
下面简要分析一下反馈回路实现稳压的工作原理。当输出电压UO发生波动且变化量为UO时,通过取样电阻R5、R6分压后,就使TL431的输出电压UK也产生相应的变化,进而使PC817中LED的工作电流IF改变,最后通过控制端电流IC的变化量来调节占空比D,使UO产生相反的变化,从而抵消UO的波动。上述稳压过程可归纳为:
UO ↑→UK ↓→IF ↑→IC ↑→D ↓→UO↓→最终使UO不变。
其余各路输出未加反馈,输出电压均由高频变压器的匝数来确定。
变压器设计
变压器的设计是整个电源设计的关键,它的好坏直接影响电源性能。
磁芯及骨架的确定
由于本文选用漆包线绕制,而且EE型磁芯的价格低廉,磁损耗低且适应性强,故选择EE22,其磁芯长度A=22mm。从厂家提供的磁芯产品手册中可查得磁芯有效横截面积SJ=0.41cm2,有效磁路长度1=3.96cm,磁芯等效电感AL=2.4μH/匝2,骨架宽度b=8.43mm。
确定最大占空比Dmax
根据公式:
其中,UOR=135V,直流输入最小电压值UImin=90V,MOSFET的漏-源导通电压UDS(ON)=10V,代入上式得:Dmax=64.3%,接近典型值67%。Dmax随着输入电压的升高而减小。
计算初级线圈中的电流
输入电流的平均值IAVG为:
初级峰值电流IP为:
其中,KRP为初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值,当电压为宽范围输入时,可取0.9。将Dmax=64.3%代入得,IP=0.518A。
确定初级绕组电感LP
其中,损耗分配系数Z=0.5,IP=0.518A,KRP=0.4,PO=10W,代入得:LP≈1265μH。
确定绕组绕制方法
并计算各绕组的匝数
初级绕组的匝数NP可以通过下式计算:
其中,磁芯截面积SJ=0.41cm2,磁芯最大磁通密度BM=60,IP=0.518A,LP≈1265μH,代入可得NP=26.6,实取30匝。
次级绕组采用堆叠式绕法,这也是变压器生产厂家经常采用的方法,其特点是由5V绕组给12V绕组提供部分匝数,而24V绕组中则包含了5V、12V的绕组和新增加的匝数。堆叠式绕法技术先进,不仅可以节省导线,减小线圈体积,还可以增加绕组之间的互感量,加强耦合程度。以本电源为例,当5V输出满载而12V和24V输出轻载时,由于5V绕组兼作12V、24V绕组的一部分,因此能减小这些绕组的漏感,可以避免因漏感使12V、24V输出电路中的滤波电容被尖峰电压充电到峰值,即产生所谓的峰值充电效应,从而引起输出电压不稳定。这里将5V绕组作为次级的始端。
对于多输出高频变压器,各输出绕组的匝数可以取相同的每伏匝数。每伏匝数nO可以由下式确定:
其单位是匝/VO将NS取5匝,UO1=5V,UF1=0.4V(肖特基整流管导通压降)代入上式得到nO=0.925匝/V。
对于24V输出,已知UO2=24V,UF2=0.4V,则该路输出绕组匝数为NS2=0.925 匝/V×(24V十0.4V)=22.57匝,实取22匝。
对于12V输出,已知UO3=12V,UF2=0.4V,则该路输出绕组匝数为NS2=0.925匝/V ×(12V+0.4V)=11.47匝,实取11匝。
对于反馈绕组,已知UF=12V,UF3=0.7V(硅快速恢复整流二极管导通压降),则该路输出绕组匝数为NS2=0.925匝/V×(12V+0.4V)=11.47匝,实取11匝。
确定初/次级导线的内径
首先根据初级层数d、骨架宽度b和安全边距M,利用下式计算有效骨架宽度bE(单位是mm):
bE=d(b-2M) (7)
将d=2,b=8.43mm,M=0代入上式可得bE=16.86mm。
利用下式计算初级导线的外径(带绝
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