多路輸出正激式變換器耦合濾波電感的設計

摘要：分析了具有耦合濾波電感的多輸出正激式開關電源電路，對比了有耦合和無耦合濾波電感對電路參數的影響，介紹了耦合濾波電感的設計方法。

1引言

　　近年來高頻開關電源在電子產品中得到廣泛應用。正激式DC/DC變換器以其輸出紋波小、對開關管的要求較低等優點而適合于低壓、大電流、功率較大的場合。但正激變換器對輸出電感的設計有較高要求，特別在多路輸出的情況。

　　本文分析對比正激變換器多路輸出濾波電感采用獨立方式和耦合方式的不同特點，討論了耦合電感的設計方法，給出了一個設計實例，并給出仿真及試驗結果。

2正激變換器普通多路輸出的分析

　　圖1所示為180W正激變換器的變壓器及輸出部分。兩路輸出分別采用無耦合的濾波電感。其一路輸出UO1為：UO1=(Uin1－UV1a)D－UV1b(1－D)=Uin1D－UV1b(1)

　　式（1）中，D為初級開關脈沖的占空比，UV1a、UV1b分別為整流二極管和續流二極管的壓降，并假設它們相等。

　　該電路L的最小值一般由所需維持最小負載電流的要求決定，而電感L中的電流又分連續和不連續兩種工作情況。如果負載電流IO逐步降低，L中的波動電流最小值剛好為0時，即定義為臨界情況。在控制環中，連續狀況的傳遞函數有兩個極點，不連續狀況只有一個極點。因而在臨界點上下，傳遞函數是突變的。圖1電路的Uin1,Uin2繞組通常都為緊耦合狀態，而每一路LC濾波器的串聯諧振頻率不相同，這一情況將使控制環在連續狀況時傳遞函數增加新的極點。

　　在多路輸出時，如果輔助輸出電壓要保持在一定的穩定范圍內，則主輸出的電感必須一直超過臨界值，即一直處于連續狀態。從性能上講，L過大限制了輸出電流的最大變化率，而且帶直流電流運行的大電感造價昂貴。

　　在圖1所示的電路中，當UO1保持5V不變時，隨著UO2負載上的突然變化，其15.8V的電壓有可能突變4V～5V，且在經過數十至數百毫秒后才能恢復。

圖1獨立濾波電感兩路輸出正激變換器

圖2耦合濾波電感的兩路輸出正激變換器

圖3

圖4圖3電路的歸一化電路

圖5圖4電路的重新排列

　　為了簡化設計，通常都使電感電流工作于連續狀態。當負載電流變化較大時，甚至在出現負載電流為零的場合下為使電路仍可以正常工作，則可在每路輸出接入一固定負載。

3多路輸出正激變換器耦合濾波電感的分析

　　對照圖1和圖2電路，圖2電路的L1、L2為繞在同一磁芯上的電感，且匝數比與Uin1、Uin2的匝數比相同，同名端如圖所示。

　　設：UV1a=UV1b=UV1=0.6V

UV2a=UV2b=UV2=1.0V

D=0.4UO1=5Vn=N2/N1=3:1

則有：Uin1=(UO1＋UV1)/D=5.6V/0.4

=14Vpp(2)

Uin2=Uin1·n=14×3=42Vpp(3)

UO2=Uin2·D－UV2=42×0.4－1.0=15.8V

　　在初級開關管導通時

UL1=Uin1－UV1－UO1=14－0.6－5=8.4V(4)

UL2=Uin2－UV2－UO2=42－1.0－15.8=25.2V(5)

　　在初級開關管截止時

UL1=－UD1－UV1=－0.6－5=－5.6V(6)

UL2=－UD2－UV2=－1.0－15.8=－16.8V(7)

　　注意：不論初級開關管導通還是截止，應保證UL2/UL1總是為3∶1。如果耦合電感L2、L1的匝數比不能保證為3∶1，則在UO1和UO2之間存在附加的電流流動，從而在其輸出產生很大的輸出紋波。〔3〕