高效小型化開關電源設計方案

1 引言
開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。從上世紀90年代以來開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，計算機、程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源。隨著電源技術的發展，低電壓，大電流的開關電源因其技術含量高，應用廣，越來越受到人們重視。在開關電源中，正激和反激式有著電路拓撲簡單，輸入輸出電氣隔離等優點，廣泛應用于中小功率電源變換場合。跟反激式相比，正激式變換器變壓器銅損較低，同時，正激式電路副邊紋波電壓電流衰減比反激式明顯，因此，一般認為正激式變換器適用在低壓，大電流，功率較大的場合。
2 基本技術
2.1 有源鉗位技術
正激DC/DC變換器其固有缺點是功率晶體管截止期間高頻變壓器必須磁復位。以防變壓器鐵心飽和，因此必須采用專門的磁復位電路。通常采用的復位方式有三種，即傳統的附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。三種方法各有優缺點：磁復位繞組法正激變換器的優點是技術成熟可靠，磁化能量可無損地回饋到直流電路中去，可是附加的磁復位繞組使變壓器結構復雜化,變壓器漏感引起的關斷電壓尖峰需要RC緩沖電路來抑制，占空比D0.5，功率開關管承受的電壓應力與輸入電源電壓成正比。RCD鉗位正激變換器的優點是磁復位電路簡單，占空比D可以大于0.5，功率開關管承受電壓應力較低,但大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，因此它一般適用于變換效率不高且價廉的電源變換場合。有源鉗位技術是三種技術中效率最高的技術，它的電路圖如圖1所示，工作原理如圖2所示。在 DT時段之前，開關管S1導通，激磁電流iM為負，即從Cr通過S1流向Tr，在DT階段，開關管S的驅動脈沖ugs使其導通，同時ugs1=0，使S1 關斷，在Vin的作用下，激磁電流由負變正，原邊功率通過變壓器傳到副邊，給輸出端電感L充電；在（1－D）T時段，ugs=0，S關斷，ugs1到來使 S1導通，iM通過S1的反并二極管向Cr充電，在Cr和Tr漏感構成的諧振電路的作用下，iM由正變負，變壓器反向激磁。從以上分析中可以看出：有源鉗位正激變換器變壓器鐵心工作在雙向對稱磁化狀態，提高了鐵心利用率，鉗位電容的穩態電壓隨開關占空比而自動調節，因而占空比可大于50％；Vo一定時，主開關、輔助開關應力隨Vin的變化不大；所以，在占空比和開關應力允許的范圍內，能夠適應較大輸入電壓變化范圍的情況。不足之處是增加了一個管子，使得電路變得復雜。

圖1 有源鉗位同步整流正激式電路圖

圖2 有源鉗位電路工作原理圖