一種高可靠性準諧振反激式開關電源的設計

摘要：介紹了一種高可靠性準諧振反激式開關電源。分析了準諧振反激式開關電源和電源冗余的工作原理及實現方式。通過實驗分析，驗證了理論分析的準確性，提高了電源可靠性。證明該電源降低了開關損耗，具有較高的電源效率；表明了兩路冗余電源具有較好的均流效果。
關鍵詞：準諧振；冗余；反激；開關電源

隨著社會對能源效率和環保問題的關注度日益提高，人們對開關電源的效率期望越來越高，而減少開關損耗是提高效率的重要途徑之一。采用準諧振技術控制開關管，使其在開關管兩端電壓最小時開通，可以很大程度地減少開關損耗，相比傳統的反激式開關電源，最多可以提高5％以上效率；同時開通過程中因開關管承受的電壓較低，產生的dv／dt也小，于是產生較小的EMI，有效的解決電磁干擾等問題。
另一方面，開關電源現已廣泛應用于鐵路的通信網絡等系統中。電源除了要連續運行外，還要經受高低溫、高濕、沖擊等考驗。這就要求電源設備必須有很高的可靠性。采用冗余結構是一種有效提高電源可靠性的方法。本論文通過采用準諧振控制芯片和兩路冗余熱備份結構，設計出一種高可靠性的準諧振反激式開關電源。

1 準諧振反激式開關電源的原理及實現方式
(1)準諧振反激式開關電源原理分析
準諧振反激式開關電源基本原理和等效原理圖如圖1、2所示。其中Lm為原邊勵磁電感，Lk為原邊漏感。電容Cd包括主開關管Q的輸出電容Coss，變壓器的匝間電容以及電路中的其他一些雜散電容。Rp為初級繞組的寄生電阻，包括變壓器原邊繞組的電阻，銅線的高頻趨膚效應、磁材料的損耗以及輻射效應的等效電阻。

準諧振反激式開關電源工作在DCM或CRCM狀態，副邊二極管電流下降到零之后，電容Cd，原邊電感Lp=Lm+Lk以及電阻Rp構成一個RLC諧振電路，主開關管Q兩端電壓Vds將產生振蕩。傳統的反激式開關電源主開關管可能Vds振蕩波形任一點處開通，視負載情況而定。而準諧振反激式開關電源，不管負載情況如何，總是在當檢測到Vds波形振蕩到谷底時，控制器控制主開關管Q開通，降低主開關管Q的開通損耗，同時使得輸出電容Cd上的能量損耗達到最小，波形圖如圖3所示。

在振蕩階段，Vds的值可以用如下的式子表示

其中n為原副邊匝數，α為振蕩的衰減系數，其表達式為：

可以看出如果有n(Vout+Vf)≥Vin，在T2時刻，主開關管的體二極管導通，此時控制主開關導通，主開關就能實現零電壓開通。
如果n(Vout+Vf)≤Vin，盡管主開關無法實現零電壓開通，但是讓主開關在T2時刻導通仍然可以最大程度上減小主開關的開通損耗。