一种实用的小型微功率AC-DC电源的设计

I摘要随着电力电子技术的飞速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，作为电子产品的动力来源，从日常生活到高尖端的科技，都离不开电源的参与与支持，其重要性是不言而喻的。本文介绍了意法半导体(ST)公司研发的一款电源控制芯片VIPer12A的内部结构及工作原理，介绍了一种采用单端反式激的拓扑结构设计开关电源的方法，并基于电源控制芯片VIPer12A设计了一款功率为2.5W、输出电压为5V的小型化的开关电源。关键词：小型反激VIPer12APWMII目录一概述........................................................1（一）开关电源的发展............................................1（二）开关电源的基本原理........................................2（三）有关开关电源的几个指标....................................2二2.5W小功率电源的设计过程...................................3（一）芯片VIPer12A的基本功能结构介绍...........................3（二）基于芯片VIPer12A小型微功率电源的基本结构.................41、输入整流滤波单元.............................................42、功率变压器的设计.............................................53、输出整流滤波单元.............................................74、控制反馈单元.................................................7（三）电源性能测试及结果分析....................................8三结论........................................................8参考文献........................................................9附录一.........................................................10附录二..........................................错误!未定义书签。1一概述（一）开关电源的发展随着电力电子技术的飞速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，作为电子产品的动力来源，从日常生活到高尖端的科技，都离不开电源的参与与支持，其重要性是不言而喻的。电源按工作原理来分，可以分为线性电源和开关电源。线性电源和开关电源的区别主要是他们的工作方式。线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压。而开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成，是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的。线性电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小。缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，同时还要安装很大的散热片。体积大，重量重是线性电源最大的缺点。开关电源是通过电子技术实现的，开关电源技术可以追溯到上世纪五十年代，在七十年代随着计算机的发展和功率MOSFET的出现，开关电源也开始了迅速发展。经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。由于省掉了大体积的工频变压器和散热片，开关电源可以做到体积小、重量轻，而且由于功率器件工作在高频开关状态，所以能做到很高的效率。缺点是输出纹波会比较大，自身较高的工作频率会对电网和电子设备产生很大的干扰。随着技术和工艺的进一步完善，这些已得到极大的改善。另外，由于功耗小、温升低，大大提高了开关电源的稳定性和可靠性。开关电源对电网的适应性也很强，一般线性电源允许电网波动范围为220V±10%，而开关电源在电网电压在100V～250V范围内变化时都能获得稳定的输出电压。开关电源代表着稳压电源的发展方向，人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进。随着各种新技术的不断涌现，新工艺的普遍采用，新产品层出不穷。开关电源正朝着短、小、轻、薄和高度集成化发展。部分开关电源还有待机电路，在待机状态开关电源还在振荡，只是频率比正常工作时要低。这样降低了开关电源的功耗，更符合低碳环保2要求。在很多领域线性电源已逐步被开关电源所取代，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。（二）开关电源的基本原理一般来说，开关电源由输入整流滤波、功率变换、功率输出、反馈控制四部分组成。实际的开关电源还有保护电路，功率因数校正电路、电磁兼容电路以及一些其他电路等。开关电源的工作过程一般是这样的，50Hz的交流电压首先经过滤波单元与电网隔离，再由整流桥整流后，由大容量的铝电解电容储能滤波，形成稳定的高压直流。通过功率MOSFET的开关作用，把高压直流变成高频的高压方波，并通过高频变压器把高压方波转换成同频率的低压方波，然后通过二极管整流、电容滤波，得到需要的直流电压。在这个过程中，反馈控制回路负责保证输出电压的稳定性。现在常用的开关电源拓扑结构有以下几种：1单端正激变换器2双管单端正激变换器3半桥变换器4全桥变换器5推挽变换器6单端反激变换器7双端反激变换器（三）有关开关电源的几个指标输入电压范围：一般是85～265Vac或者165～265Vac1、输出特性输出电压精度：±1%负载调整率：≤±0.5%电压调整率：≤±0.2%纹波及噪声：≤±1%温度系数：≤0.02/℃2、安全特性3隔离电压：一般为2500Vac绝缘电阻：一般≥100MΩ保护功能：过压、过流、短路、过热3、环境特性工作温度：一般为-25～+60℃存储温度：一般为-40～+105℃二2.5W小功率电源的设计过程（一）芯片VIPer12A的基本功能结构介绍意法半导体(ST)研发的VIPer12A是一款单片智能功率IC，其组件包括一个60KHz的集成脉宽调制控制器和一个击穿电压为730V的高压功率MOSFET。和同等级别的分立器件相比，这款智能功率IC具有功率转换效率高、成本低廉和空间小的好处。VIPer12A是一个单封装的产品，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式PWM控制器和一个高压功率MOS管。这种方法可以减少组件数量，降低系统成本，简化电路板设计。VIPer12A有DIP8、SO-8两种封装形式，SO-8封装的芯片可以在85～265Vac宽范围输入条件下提供最大不超过5W的功率输出，更适合小型的开关电源的设计要求。其开关频率是固定的60KHz。VDD是控制电路的电压输入端，其引脚电压的可用范围可以从8V～36V,这一功能为实现各种特性的设计提供了巨大的灵活性。VIPer12A中包含一个连接在其漏极上的高压启动电流源，芯片内部有比较器监控VDD电压，同时提供两个极限值（8V和14.5V）用于比较。因此，对芯片的电压输入端施加有电压时，只要VDD低于VDDon（14.5V），这一启动电流源立即被激活；而当VDD等于VDDon时，启动电流源关断，器件通过打开、关闭其主功率MOSFET开始工作。这时，因为FB引脚无法接收光电耦合器传来的电流，所以VIPer12A可以满负载工作，输出电压将一直上升到二次环路在光电耦合器内开始发射电流的调节点上。在这一点上，芯片开始调节，而此时FB引脚则可用于接收在电源副边提供正确功率所需的电流。当VDD超过VDDovp（42V）时，VDD引脚上的过压检测器将使VIPer12A复位。值得注意的是，只有VDD低至VDDoff(8V)时，该过压才会被锁定，以使器件自动恢复正常工作。FB是回路反馈引脚，用于控制器件的操作，它对电流很敏感。VIPer12A的电流控制方式可提供精确的电流和电压调节功能。FB脚可用电压范围为0～1V。4SOURCE端接地，给MOSFET源极提供激励。DRAIN端是内置MOSFET的漏极，连接变压器的Np绕组。（二）基于芯片VIPer12A小型微功率电源的基本结构在各种交流市电供电系统中，电力行业、仪器仪表、工业控制、通讯设备、医疗行业等领域，体积小型的微功率电源模块得到大规模应用，并且随着各种设备的体积越来越小，对模块电源体积的要求会越来越高。基于这种情况，我们设计了这款体积很小的电源。设计电源的外形体积：32*14*20(mm)输入电压范围：85～265Vac输出电压精度：±2%输出纹波电压：1%效率：75%1、输入整流滤波单元本设计电源的输入电压是50Hz交流电压85～265Vac，需要整流成直流再参与变换。最简单的方法是整流桥整流，50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压，再通过输入滤波电容得到直流高压。1)整流桥的选择整流桥的主要参数有反向峰值电压VRR(V)，正向压降VF(V)，平均整流电流IF(A)，正向峰值浪涌电流IFSM(A)，最大反向漏电流IRM(μA)。整流桥的反向击穿电压VRM应满足下式要求：VRM1.25*1.4Vinmax即1.25*1.4*265=450V应选耐压600V的整流桥整流桥额定的有效值电流为IF，应当使IF≥3IRMS。计算IRMS的公式如下：IRMS=Is=P/η/Vs=2.5/0.75/110=30.3mA实际选用lA、600V的整流桥，以留出一定余量。2)输入滤波电容器的选择铝电解电容器的额定电压的1.3倍作为电容器的浪涌电压，工作电压高于160V时，是额定工作电压+50V作为浪涌电压，这是生产厂家保证的电压，可以允许在短时间内承受此电压。电容器处于浪涌电压时，电流会很大，如果时间太长，会爆开。所以铝电容器应该选用额定电压稍高的，实际工作电压为标称额定电压的70~80%为宜，所以选用额定电压值为400V的铝电解电容。由于模块电源体积的限制，在85～265Vac的输入范围内，前级储能铝电解电容的容值一般选取2倍于输出功率的值，即2.5*2=5，综上，铝电解电容的取值以4.7μF/400V为宜。52、功率变压器的设计1)考虑到2.5W的输出功率实际很小，还有模块电源的体积限制。选择截面积足够而体积尽可能小的EPC13（Ae=12.5mm2）的铁氧体磁芯来完成功率的转换。2)计算ton原边绕组开关管的最大导通时间对应在最低输出电压和最大负载时发生。设D=ton/Ts=0.45有：Ts=1/f=1*106/66*103=15.2μston=D*Ts=0.45*15.2=6.84μs3)计算最低直流输入电压设电源在最低电压时输出最大负载，计算输入端的直流电压。对于单项交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流电压有效值的1.4倍也不小于1.2倍。现取1.3倍。即：Vs=85*1.3=110V4)选择工作时的磁通密度值已知EPC13的中心柱磁路的有效面积Ae=12.5mm2，饱和磁感应强度在100℃时是390mT，则65%的饱和值：△Bac=390*0.65=250mT。5)计算原边匝数因为变压器输入电压是一个方波，一个导通期间的伏秒值与原边匝数关系：Np=Vs*ton/(△Bac*Ae)式中Np—原边匝数Vs—原边直流电压ton—导通时间Ae—磁芯有效面积