一种基于单管正激式的高效率开关电源的设计

一种基于单管正激式的高效率开关电源的设计

技术领域

本发明专利涉及电子设计技术领域，尤其涉及一种基于单管正激式的高效率开关电源的设计。

背景技术

电子线路包含模拟电路，数字电路，信息电子电路等.多是需要直流电供电。同样电子线路对电源有着多种要求，因此我们必须应对不同的场合设计出不一样的电源。时代进步的同时，我们的产品也必须适应它的变化。电子线路发展至今约有100多年的历史。

最初的电源既不需要稳压也不需要严格的滤波，最初的真空管时代，电子线路并不需要稳定的供电电源，仅需要整流，滤波。电子的线路要求多种电源供电，最初的真空管电子线路往往有电源变压器当时用不同的绕组得到不同电压，晶体管的发明，使得脉冲电路，数字电路运用于微型计算机，功效远优于真空管计算机，电子线路得体积变化缩后对电源的要求，由于体积的减小导致线性稳压电源的不适应，此时出现了开关型稳压电源，开关型的稳压电源，使计算机微型化不在只是想像。电源自身损耗的影响非常大，争对微型计算机和电视机工作以及待机状态、同时较于电子设备体积减小电源体积也要减小同时面临着散热功能的改善。所以提高电源效率刻不容缓。

发明专利内容

本发明专利涉及一种基于单管正激式的高效率开关电源的设计，本发明零气系变压器的单管正激式开关电源的电路拓扑可以有效降低变压器一次侧励磁电感储能，降低变压器复位对复位电容器的要求。本发明开关电源的最大占空比不大于0.5可以使得变压器的磁通复位不进入饱和状态。本发明选择带有去磁绕组的电路结构，本发明选择COOLMOS作为开关管，选择UC3844作为开关电源的控制芯片。

附图说明

图1：原理框图。

图2：正激式电路图。

图3：正激式电路图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种基于单管正激式的高效率开关电源的设计，本发明零气系变压器的单管正激式开关电源的电路拓扑可以有效降低变压器一次侧励磁电感储能，降低变压器复位对复位电容器的要求。本发明开关电源的最大占空比不大于0.5可以使得变压器的磁通复位不进入饱和状态。本发明选择带有去磁绕组的电路结构，本发明选择COOLMOS作为开关管，选择UC3844作为开关电源的控制芯片。

进一步的，本发明以输出12V/5A安装式开关电源设计为例。在没有PFC要求的场合下，为了降低成本，一般不采用PFC，相对而言，开关电源的设计主要是输入回路设计，主变换器设计，输出整流滤波电路设计，输出反馈设计，PCB及工艺设计等。外壳选择永明电源的安装式开关电源的外壳，外壳尺寸为107mm x60mm x35mm，底座为U形的铝外壳，电路板尺寸为107,55，扣除接线端子部分，电路板可以利用的尺寸为88.55元件的有效高度应小于25mm。电路参数：输入220（1±20％）V，输出12V，5V，恒压限流功能，限流值6A，纹波电压不高于50mV。

进一步的，本发明制作有一定输出电压调节范围和功能的直流稳压电源。基本要求如下：

（1）输出12V, 5A；

（2）恒压限流功能，限流值6A；

（3）纹波电压不高于50mV。

进一步的，本发明的原理框图如图1所示，正激式电路图如图2所示，滤波整流电路图如图3所示。交流电压低通滤波器C1，C2，C3，C4 L1。C1和C2的抗干扰电路，抑制正常噪声目标；共模噪声干扰的抑制可以C3，C4，L1抗共模干扰电路。交流电压通过整流桥和电容C5滤波成310V直流电压脉动。

进一步的，为防止变压器不能完全复位的现象出现，本发明的控制电路应选择占空比低于百分之五十的UC3844或UC3845，开关频率可以设置为50~70khz。

进一步的，本发明的最大占空比选择0.45，对应的最高复位电压可以达到直流母线电压值。

进一步的，本发明的开关管选择耐压800V的CoolMOS，假设效率为百分之88，对应的最低输入电压时的开关管峰值电流约为0.75A，可以选用SPA02N80C3，100℃壳温时的额定电流1.2A，导通电阻2.7A。

进一步的，本发明的缓冲电路选择无缘无损耗缓冲电路。在最高输入电压时，直流母线最高电压约为370V，对应的占空比约为0.24。若开关频率为67kHz，对应的导通时间为3.6µs，即缓冲电路的半个谐振周期。

进一步的，本发明设定开关管电流为0.75A，开关管电压上升到700V的时间为150ns，忽略开关管的输出电容，需要缓冲电器的电容量为525Pf，选电容量为560pF。考虑缓冲过程的电压上升率达到2711V/µs，面对如此高的电压变化率，电容器耐压的选择将不再是额定电压，而是电压变化率应满足要求。

进一步的，本发明选择缓冲电路的半个谐振周期为3µs，对应的谐振电感量为225µH。对应的复位电流峰值为78mA，有效值电流为27Ma。复位电感的储能系数为1.3µJ。

进一步的，本发明选择无源无损耗缓冲电路。

进一步的，磁本发明感应强度选0.08到0.1T，由于外壳的限制，首先考虑变压器各绕组是否能够绕下。磁感应强度一次侧电流有效值根据公式计算得0.5A；选择导线电流密度为3A/m㎡，导线截面积为0.17m㎡，对应导线线径为0.47mm；在EER28框架下每层可以绕42~43。如果一次侧绕两层，对应的匝数应该为80~86匝。对应的最低直流母线电压，最大占空比的导通时间为3.36；对应的0.45占空比时的开关周期为7.47µs，开关频率为134kHz，显然这个开关频率远高于预想的50kHz，如果这次侧绕四层，共计172匝，则开关频率为67kHz，对应的最大导通时间为6.7µs；二次绕组匝数计算得26匝；二次绕组电流有效值为3.35A；选择导线电流密度3A/m㎡导线截面积为1.12m㎡，选用线径0,51mm漆包线双股并绕。辅助绕组13匝，线径0.17mm；变压器绕组顺序：1/2一次绕组86匝，去磁绕组172匝，二次绕组26匝，辅助绕组26匝，一次侧另一半绕组86匝；由于磁芯的磁感应强度变化值选得比较低，因此磁芯的铁耗将比较低。变压器绕组的电流密度适中，因此，变压器的温升将在允许范围之内。

进一步的，考虑变压器复位电压等于直流母线电压。输出整流器峰值电压为51.6V；续流二极管峰值电压为51.6V；考虑2倍的电压裕量，可以选择耐压100V的肖特基二极管或超快回复二极管，额定电流可以选择8~10A。

进一步的，通常选择在最小负载条件下电流临界。如最小负载电流为额定电流的百分之20 ，即1A，对应的电感量为180µF；最大电流6~7A。电感磁芯可以选用外径30mm,厚10mm的金属粉磁环。

进一步的，影响输出的最主要因数是滤波电容器的ESR，本发明选择ESR，ESL低的电容器。输出噪声除了纹波电压外，还有输出电压尖峰，这通常是在开关管的开关过程中输出整流器的反向恢复与回路的寄生参数所产生的寄生震荡产生，如若用电解电容器的抑制效果不能达到，需在输出端并联ESR更低的其他类型电容器。

进一步的，本发明最好选用散热较好的金属外壳。

进一步的，本发明电路板左侧为输入端，右侧为输出端。元件从左到右依次为电源滤波器，整流滤波，控制与功率转换，输出整流滤波与输出电压检测。产生功耗大的用外壳散热。因此开关管和输出整流器的位置应靠近外壳二侧。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。