单管开关电源的设计与制作

　　一、基本要求和原理
　　
　　输入电压AC(90~265V)，频率(47~440Hz)；输出直流电压12V/24W，效率η=70%左右，线性调整1%×输出电压，纹波及噪声≤2%×输出电压(mVP-P),具有过流、过压、短路自动恢复等保护功能。基本原理如下图所示。
　　
　　当VT导通时，变压器初级线圈Nl中电流线性增大，磁场增强，内部产生方向为上正下负的感生电动势￡，通过磁芯耦合到次级线圈N2中。根据同名端原理，感应电压方向为上负下正，此时，与N2相连的二极管VD处于反偏压状态，VD截止，N2中无电流流过，即没有能量传递给负载RL。
　　
　　当VT截止时，变压器初级线圈Nl中电流将消失。由于电流不能突变，则Nl中感生电动势&epSILon;改变方向为上负下正．力图维持原态。N1中磁场通过磁芯耦合到次级线圈N2中，根据同名端原理，感应电压方向为上正下负，与N2相连的二极管VD处于正偏压状态，VD导通，给输出电容C充电，同时负载RL上也有电流IL流过。
　　
　　所谓反激是指：VT导通→初级Nl储能→VD截止→次级N2中无电流；VT截止→初级N1泄能→VD导通→次级N2中有电流。所谓单端是相对于桥式或推挽而言。

　　二、电原理图和工作过程分析
　　
　　电原理图如下图所示。220V交流电一电源噪声滤波器(PNF)滤掉射频干扰一整流器(VD5~VD8)和Cl滤波获得约+300V直流电压。该电压分成两路供电：一路经Nl绕组→VT1的D极，另一路经R15降压后向IC1提供+13V左右的启动电压一IC1内部振荡一IC1⑥脚输出开关脉冲→VT1处于开关状态→Nl绕组产生变化的磁场：一方面耦合到反馈绕组N3→整流滤波(VD2、C3)→输出+13V电压为IC1供电。另一方面耦合到次级绕组N2→整流(VD4)→滤波(Cll-C14、12)→输出+12V电压。C2、VD1、Rl和R12构成吸收回路，用于吸收尖峰电压，保护开关管，R5、R6、VD3和R7构成栅极无源加速关断驱动电路。IC1⑥脚由“1”到“0”时，可加速MOSFET的G极电荷的快速泄放，以降低关断损耗。
　　
　　为了使输出的直流电压稳定，电路中设置了稳压电路。假若VD4整流输出端电压高于额定值时一经电阻RH1、VR一精密取样电路IC2的R端的电压亦相应升高→IC2的K端电压则降低-使流经光电耦合器IC2的①、②脚电流增大一内部发光管亮度增强一使得IC2的③、④脚之间的电阻下降→IC1的①脚电位下降→IC2内部电路处理后-使⑥输出的方波脉冲变窄→开关管VT1的导通时间缩短-开关变压器Tl传输的能量降低→次级绕组N2感应电压下降→则输出电压下降→从而达到稳压输出的目的。调节VR的大小，可使输出在±10％的范围调整。
　　
　　为了保护电源自身与负载不致损坏，电路中设置了保护电路。当外因致使流经开关管VTl(2N60C)的电流增大时→流经取样电阻R2的电流亦相应增加→经过R3使得IC1③电压升高。当该脚电压大于1V时→N301内部振荡电路自动停振→达到了过流保护的目的。当输出端过压时→稳压管Z1击穿→PC2(光电耦合器)的①、②脚→内部LED发光→PC2的④、⑥脚晶闸管导通→vCC电压下降为OV→IC1停止振荡→输出降为Ov→从而保护了输出负载。
　　
　　另外，当外因致使其IC1⑦脚电压低于10V或高于34V时，IC内部的过压、欠压检测电路可自动切断IC1⑥脚输出方波脉冲，则开关电源停机，从而达到过压、欠压保护的目的。

　　三、元件的选择与作用
　　
　　1．输入电路
　　
　　电源噪声滤波器Ll(PNF)，主要作用防止电源高频干扰进入电网，也阻止市电中的干扰进入电源中。
　　
　　限流电阻TH1一般选择lOΩ左右阻值的PTC元件，平时阻抗很低，没有发热。电压主要降在系统上。当系统发生故障电流异常TH1压降增加而发热，PTC元件是正温度系数元件，温度越高电阻越大（达百K数量级），220V几乎全加TH1上，系统因失电而得以保护。
　　
　　断电排除故障后，经过一段时间散热，TH1恢复常态电阻。又能正常工作。TH1还能限制开机时的浪涌电流。
　　
　　压敏电阻ZNR，额定电压可为470V。当发生过电压时ZNR发生非损伤性击穿，由于TH1发热保护作用，过电压消除后只要断电一段时间，TH1和ZNR可以恢复。
　　
　　整流器。整流输出电压(UO)平均值等于输入电压有效值(UIN)的1.2—1.3倍。根据Po=UocimxIO×η=24W，最低整流输出电压UDCmin≈90V，效率η设为80%，整流输出电流I庐0.33A。选择整流器的额定电流、额定电压有3倍余量。IN4007可满足要求。
　　
　　滤波电路，对限制整流输出电压中的纹波大小起着非常重要的作用。在全电压输入范围时，整流滤波电路输出最高电压可达370V，故滤波电容的耐压应该选择≥400V。容量选择原则是≥1μF/W，本例选47μF/630V。
　　
　　2．开关电路
　　
　　由于主开关管上电压波形中含有尖峰电压、复位电压和电源电压三个部分，在AC220V电压应用条件下，如果考虑电源电压变化范围在±20%，故在单端反激式中的开关管耐压应为600～700V。设定最大占空比为0.4(对应的反冲电压UR为133V)，效率T1为80%，电路工作在电流断续模式状态下，开关管上每流过1A电流可以输出30～32W的输出功率。考虑开关管的导通电阻对效率的影响，应选择开关管的额定电流达到实际流过的导通电流峰值的3～4倍。本例选用2N60C，参数为12A600V符合要求。VD1、VD3选用恢复二极管FR305。
　　
　　3．脉宽调制(PWM)电路
　　
　　UC3842是Unitrode公司推出的一种高性能固定频率、电流型PWM控制器，内含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。UC3842电压调整率可达0.01%，工作频率为500kHz，启动电流小于1mA，基准电压为4.9～5.1V，工作温度为O℃～70℃，输出电流为1A。输入电压为10~34V，当低于1OV时，电路停振，关断外接MOSFET功率管。输出开关脉冲的频率受④脚外围定时元件(R4、C4)的影响，其占空比受①、③脚参数变化而改变，从而达到调整输出电压的目的。
　　
　　4．输出整流滤波电路
　　
　　输出低电压（如5、3.3V或更低）时，常选肖特基二极管作整流器，因为它具有正向压降低的特点，以获比较低的损耗。输出为12V左右时，既可选超快恢复二极管，也可选肖特基二极管。
　　
　　由于反激式开关电源输出的纹波电流较大，输出滤波电容按每输出1A电流选用1000μF计算，应采用等效串联电阻较低的品牌如KORChip。本例选1000μF。
　　
　　5．输出稳压基准
　　
　　输出稳压基准采用TLA31。
　　
　　6．输出保护电路
　　
　　输出过压保护电路由可控硅驱动输出的光电耦合器(MOC3022)与稳压二极管21(15V，0.5W)构成。PC2(MOC3022)的最小阻断电压峰值是400V，LED触发电流IFT(VTM=3V)是lOmA，输出驱动电流是1A。

　　四、变压器的设计与绕制
　　
　　1．变压器磁芯选择
　　
　　反激变换器的功率比较小，一般选用铁氧体材料的磁芯，其功率容量(AP)计算公式为：AP=Ae×AQ。根据计算的AP值选取余量大些的磁芯即可。本例选择EFD25铁氧体磁芯，其有效截面积大于计算值。
　　
　　EFD25磁芯外形如下图所示。

　　
　　2．匝数与线径计算
　　
　　在AC 90～265V电压输入范围，为了提高开关变压器的效率，AC220V电压等级时应采用电流断续状态，而AC110V时为电流连续状态的工作方式。
　　
　　电流断续时，由于AC220V电压等级时的下限值为AC176V，则整流滤波后的直流电压可按200V为基本参数，对一次绕组进行的计算参数有：电流峰值Ip，电流有效值IPrms，电感LP、匝数N1p、气隙lg、线径φp（电流密度按3A/平方毫米）；对二次绕组进行的计算参数有：电流峰值ISm，电流有效值1Srms，匝数Ns、线径φs（电流密度按3A/平方毫米或稍高些）。
　　
　　电流连续时，由于AC110V电压等级时的下限为85V，则整流滤波后的直流电压可按90V为基本参数，需进行计算的参数有：占空比DMAx，一次绕组电流峰值iP。只要iP与IP量值比约为107%即可。另外，取样绕组的匝数根据取样输出电压(13V)可由N1p、Ne推算出来。
　　
　　本例线圈线径与匝数参数如下表所示，骨架与组合结构如下左图、下右图所示。

　　3．绕制方法
　　
　　在开关变压器的绕制方面应该以减少变压器漏感为目的。常用方法是：将一次绕组分成两段，分别绕在二次绕组的内侧和外侧。即在二次绕组的最里面为一次绕组的第1层，最外面为一次绕组的第3层。这样一来，骨架上应有多余引脚让一次绕组的中心点连接。
　　
　　第1层与第3层可按1/2的方式或第1层多第3层少的方式进行绕制，第2层采用四线并绕，第4层是取样绕组层。开关变压器Tl绕制方向与步骤示意图如下图所示：

　　五、PCB的设计
　　
　　PCB上主要元件分布在左、右两侧，而右侧分成上、下部分。左侧主要由滤波电容Cl、开关管VT1、Tl的一次绕组Nl构成的开关电路和由UC3842的控制电路组成；右侧的上部分为电源噪声滤波电路，下部分由电源整流输出、稳压和保护等电路构成。
　　
　　在结构上，选用了散热良好的金属外壳，本例选用铝外壳。滤波电容Cl需卧式安装，开关变压器Tl采用EFD25型骨架，属于卧式安装之列。这样，器件高度得到了限制。产生功耗比较大的元件，如开关管VT1、输出整流器VD4设置散热器。
　　
　　在印制条的布局方面需解决好EMI(电磁干扰)的问题，解决方案是：将开关及振荡控制电路部分与整流输出部分严格分开，中间用光电耦合隔离，以防止振荡干扰信号串到输出端；在PCB右侧的上下部分印制条也分开，而且还划开PCB，以防止上部的电源噪声滤波器( PNF)干扰下部的整流输出。另外在开关振荡部分应多采用SMT元件，在输出端宜采用大面积印制条工艺。