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一种反激式开关电源设计流程

news 来源：原创 2025/8/22 16:07:49

引：随着生产和技术的发展，对环保和能源的要求也越来越高，开关电源的应用也越来越广泛，开关电源电路结构种类繁多，包括单端转换器和双端转换器。本文介绍一种利用反激式变换电路实现5V开关电源的设计方法，以提高供电系统的效率，可作为移动的手机充电电源。

设计要求

整个任务设计框图如下

 在阻性负载下，所设计的开关电源需满足以下要求：

  1. 交流输入电压U1：180V~240V；
  2. 直流输出电压Uo：4.5V~5.5V；
  3. 直流输出电流Iomax：2A；
  4. 负载调节：S1<=10%;
  5. DC/DC转换效率：\eta>=90%（Uo=5V，Io=1A）。

模块电路设计 

1）整流滤波电路设计

 根据整流方式的不同，整流电路可分为全波整流和半波整流，为了提高工作效率，整流电路一般采用桥式整流电路。考虑到电路的输出功率不是很大，如果采用三相桥式整流电路，则会增加电路设计复杂度，从而增加损耗，所以本系统采用单相桥式整流电路。

可选择桥式整流电路或由四个二极管所组成的整流桥，二极管可选择比较通用的1N4007，具有稳定性好，能满足小电流的要求。整流桥推荐使用RS310，由于整流后的单极电压波动大，不够平滑，需要采用滤波电路滤除交流分量，使波动较大的单极电压变为较为平滑的直流电压。滤波电路一般由电容、电感、电阻组成，处电阻为，电容和电感也可单独使用（对于低功率电源，常采用电容滤波）。

2）DC/DC拓扑电路方案

根据设计要求，DC/DC变换器应具有降压功能，符合要求的电路结构有很多种，主要有两种类型的单端变换器（反激、正激）和双端转换器（推挽、半桥和全桥）。本方案采用单端反激式转换器，因为其回扫电路使用元件最少，当功率电平较低时，反激变换器的电源设备成本要低于其他电路技术。单端反激变换器的工作原理及原边及副边电流波形图如下所示：

 当施加到初级侧主功率开关管VT的激励脉冲为高时，VT导通，直流输入电压E施加到初次侧绕组NP的两端，次级绕组的相位为上负下正，此时整流器VD反偏，次级回路断开，初测绕组充能。 当驱动脉冲为低使开关管VT截止时，反激变换器是一种电感储能变换器，它通过反激变换器的初级绕组NP两端的电压极性反转，整流管被正向偏置导通，然后将存储在变压器中的磁能传递并释放给负载，因此，反激变换器是一种电感储能变换器。

当单端反激变换器工作在励磁电流不连续状态时，输出电压的计算公式如下所示：

{V_{0}}=E\bullet {t_{on}}\bullet\sqrt{​{R_{L}}/(2{L_{P}}T)}

 式中，ton为开关导通时间，T为导通周期，LP为初级绕组等效电感。而当单端反激变换器工作在励磁电流连续状态下时，输出电压的计算公式如下所示：

{V_{0}}=E\bullet ({N_{S}}/{N_{P}})\bullet(D/(1-D))

 式中，占空比D=ton/T。

由上式可以看出，单端反激电路在电网电压变化或负载变化时，都能稳定输出电压，大多数单端反激变换器工作在磁化电流连续状态。

在开关管VT的截止期间，其所承受的电压为：

{V_{CE}}=E+{V_{LP}}=E+ ({N_{S}}/{N_{P}}){V_{0}}

 选择开关管时，不仅变压器的初级电流最大值不能超过晶体管的极限值，而且晶体管的电压幅值也不能超过晶体管的允许值，特别是在开路试验中，不应断开负载使输出电压急剧增加，损坏功率管。

3）功率开关管驱动电路

开关管驱动电路是开关变换器中最关键的部分，根据激励方式的不同，开关功率变换器可分为自激变换电路和他激变换电路。系统采用如下图所示的自激变换电路，它是一种利用变压器耦合形成正反馈的自激逆变电路。

图中，T是变压器，Lf是反馈绕组，R1为开关管VT的基极（也称为启动绕组）提供初始启动电流，C是耦合电容，R2为电容C提供放电路径。单端反激式开关电源的变压器设计方法与其他类型的变换器有很大的不同，其设计参数主要包括以下两项。

1）初级绕组电感LP

基于公式

{V_{0}}=E\bullet {t_{on}}\bullet\sqrt{​{R_{L}}/(2{L_{P}}T)}

可以得到：

 

 2）高频变压器铁芯

反激式变换器的功率通常较小，一般采用铁氧体磁芯作为变压器，计算公式如下：

式中，Ae为铁芯截面积（cm²），AQ为铁芯窗口截面积（cm²），PT为变压器的标称输出功率（W），Bm为铁芯工作时磁感应强度的截面积（G），\delta为线圈导线的电流密度，通常为2~3（A/mm²），\eta为转换效率，Km为窗口填充因子，Kc为磁芯填充因子，fs为开关管频率。

根据计算的Ap值，选择余量较大的磁芯，每个磁芯都有固定的面积，在厂家提供的磁芯参数表中，查询大于或等于所需面积的磁芯，得到符合要求的磁芯。

4）系统设计

系统的整体设计图如下所示：

与传统的变换器相比，该开关管驱动电路采用单管自激变换电路，控制电路简单，开关管电压应力更小，效率更高

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