#伴我起航2015# 一款小功率的反激式开关电源制作——桂林电子科技大学

这是十月份参加“亚源杯”电源设计大赛的作品；由亚源科技有限公司出题、赞助，在学校举办。

首先来看看设计规格书：

上面是电源设计的指标。

下面是设计思想：

1 设计思想与总体方案

1.1 设计基本要求

输入：

1、输入电压：90-264VAC

2、输入频率：47-63Hz

3、输入电流：0.8 Arms Max

4、浪涌电流：80 Arms Max

5、待机功耗：75Mw Max

6、效率：75.5%--88%

7、漏电电流：100ua Max

输出：

1、输出电压：+12V

2、输出误差：11.4-12.6V

3、输出电流：2A Max

4、负载调整率：±1

5、纹波电压：小于240Mv

6、具备短路保护、过流保护（4A Max）、过压保护（18V）

1.2 主电路的选型

开关电源的电路结构众多，其中适合小功率电源使用的有正激型、反激型和半桥型，适合大功率电源的有正激型、半桥型和全桥型。一般来说，小功率电源（1～100W）宜采用电路简单、成本低的反激型电路，兼用半波整流输出交流，最终转换成直流输出。

由于设计要求直流输出电压为12V，输出电流2A，输出功率24W，所以采用反激型电路制作。

1.3 总设计框图

反激式开关电源电路基本设计原理框图如下：

1.4 总原理图设计

基于SD4870的24W开关电源设计总原理图如图1.2所示：

图1.2 开关电源原理总图

其PWM控制芯片采用SD4870，开关管采用FCPF20N60；输出整流采用同步整流，其主控芯片是FAN6204，MOS是BSC028N06NS；其电路有过压、过流、短路保护，并且能够锁死，只有在断掉市电，过一会儿再次上电，才会有输出。

2 开关电源各部分电路的设计及参数计算

2.1 变压器设计、计算

24W的反激式变压器输入为90VAC—264VAC，设计输出12V@2A。开关频率为65KHz；采用600V的MOSFET。

1.确定Vor和Vz

最大输入电压时，加在变压器上的直流电压：

Vin max=1.414VACmax=1.414*264=374V 公式2-1

MOSFET额定电压为600V，故在Vin max处，必须保留至少40V的裕量。此情况下，漏极电压不能超过560V。期漏极电压为Vin+Vz，于是有：

Vin+Vz=374+Vz<=560,得Vz<=186V 公式2-2

所以需选择标准的180V稳压管。

Vor=Vz/1.4=0.7*Vz=0.7*180=128V 公式2-3

2.匝比

由于需要在18V输出时进行保护，所以的输出18V,其整流是同步整流，其压降很小，假设为0.1V，则匝比为：

n=Vor/（Vo+Vd）=128/（18+0.1）=7.07，取整数7。公式2-4

3.最大占空比（理论值）

变压器最小直流电压为：

Vin min=1.414*VACmin=1.414*90=127V 公式2-5

忽悠变压器输入端的电压纹波，此即为变压器电路的直流输入。故可的最小输入电压时的占空比为：

D=Vor/（Vor+Vin min）=128/（128+127）=0.5 公式2-6

4.一次二次有效负载电流

Po=24W，Uo=12V则：

Io=Po/Uo=24/12=2A 公式2-7

一次输出电压为Vor，负载电流为Ior，其中：

Ior=Io/n=2/7=0.286A 公式2-8

5.占空比

由输入功率：

Pin=Po/效率=24/0.7=34.28 公式2-9

于是可以得平均输入电流：

Iin=Pin/Vin=34.28/127=0.270A 公式2-10

平均输入电流与实际占空比D直接相关。因为Iin/D为一次电流斜坡中心值，且其值与Ilr相等，于是有：

Iin/D=Ior/(1-D) 公式2-11

解得：

D=Iin/（Iin+Ior）=0.270/（0.270+0.286）=0.486 公式2-12

此占空比更为准确。

6.一次和二次电流斜坡实际中心值

二次电流斜坡中心值为：

Il=Io/（1-D）=2/（1-0.486）=3.89A 公式2-13

一次电流斜坡中心值为：

Ilr=Il/n=3.89/7=0.556A 公式2-14

7.峰值开关电流

根据以上Ilr值，可得所选电流纹波情况下的峰值电流：

Ipk=（1+r/2）*Ilr=1.25*0.556=2.25A 公式2-15

根据此估算值，即可设定控制器的最大电流值。

8.伏秒数

输入电压为Vin min时：

Von=Vin=127 公式2-16

导通时间：

Ton=D/f=0.486/65000=7.477us 公式2-17

所以伏秒数为：

Et=Von*Ton=127*7.477=950Vus 公式2-18

9.一次电感

Lp=（1/Ilr）*（Et/r）=950/（0.566*0.5）=3357uH 公式2-19

10.磁芯选择

设计磁性元件与特制或成品电感不同，须加气隙以提高磁芯的能量储存能力。若无气隙，磁芯一旦储存少许能量就容易达到饱和。

Ve=0.7*[（2+r）²/r]*（Pin/f）=0.7*[(2+0.5)²/0.5]*(24/65)=3.24cm³ 公式2-20

于是可以选取这个体积或者更大的磁芯。在EE28中可以找到，其等效长度和面积在它的规格说明中已给出：

Ae=1.18cm² Le=5.55cm

则可得起体积为：

Ve=Ae*Le=1.18*5.55=6.549cm³ 公式2-21

稍大于所需尺寸，满足要求。

11.匝数

关于r的电压相关方程：

N=(1+2/r)*[（Von*D）/(2Bpk*Ae*f)] 公式2-22

因此：

Np=(1+2/0.5)*[（127*0.486）/(2*0.3*0.000118*65000)]=67匝公式2-23

12V输出的二次组匝数为：

Ns=Np/n=67/7=10匝公式2-24

2.2 变压器的绕制

磁芯骨架：PQ26-25

初级=42T（0.4漆包线1根）；

次级=6T（0.4漆包线4根并绕）；

IC供电=7T（0.4漆包线1根）。

从最底层开始：

N1：P5——4 Φ0.4mm*1股 21T 后加三层玛拉胶

N2：P8/9—11/12 Φ0.4mm*3股 6T 后加三层玛拉胶

N3：P3——5 Φ0.4mm*1股 21T 后加三层玛拉胶

N4：P1——2 Φ0.4mm*1股 7T 后加三层玛拉胶

1、先从最底层绕起，即N1——N4，且层与层之前需加上玛拉胶；

2、P5——3表示从5脚进，3脚出，一共绕21T；

3、P8/9——11/12表示从8/9脚进，11/12脚出，4根线并绕，一共绕6T；

4、绕线方向全部朝同一方向。

5、此变压器在这电路上时，在电压为70VAC时，能供给24W的有效功率，（12V/2A）

6、漆包线绕完后，用小刀整理管脚导线线头，用烙铁将漆包线与管脚焊接上。

7、减掉长出的5、6、7、10脚（PCB板上5、6、7、10脚未开孔）。

8、合上磁芯，测量脚3到脚4的电感量。

9、电感值为1mH～700μH为正常，若电感值较大，加厚玛拉胶或用金刚锉磨掉磁芯中柱一点点。

2.3 市电输入部分设计

图2.1 市电输入原理

热敏电阻（RT1），温度越高电阻越小。为了防止上电瞬间电容充电插头处冒火花：由于初次上电温度低电阻大，实现了对开机浪涌电流的抑制。安规电容（CX1），（1）滤波作用；（2）当电容被击穿则电容内部断开，而一般电容则是短路。规模电感（TF1）抑制高频干扰。压敏电阻（ZNR1）：防雷电作用；当输入很高电压时电阻变小，相当于在此处短路，从而保护了后面电路。整流桥（Z1）采用KBP206，600V/2A。按照每瓦2uf来计算，24W位48uf，因此采用47uf/400V滤波电容。

2.4 PWM控制部分

图2.2 PWM控制原理

采用SD4870作为PWM主控；开关管采用FCPF20N60，之所以采用20A，是因为其内阻比较小，只有0.15欧。R15是用来作功率保护的。R14是用来控制PWM的频率，其芯片频率为：f=6500Khz/R14。

2.5 输出部分电路

图2.3 直流输出原理

整流采用同步整流，其主控芯片是FAN6204，MOS管采用BSC028N06NS,2.8毫欧，100A,60V；其中R5、R8、R9、R11由以下公式计算得：

0.83∙R8R5+R8∙VINMINn+VOUT>0.05VOUT+0.3 公式2-25

R8R5+R8∙VINMAXn+VOUT<4 公式2-26

1<R9R11+R9∙VOUT<4 公式2-27

K∙R8R5+R8=R9R11+R9 公式2-28

为了降低纹波，采用LC低通滤波器，取截止频率fL=3.5KHz，电容取1000μF，由

可得公式2-29

代入得L=2.0699 μH，取2μH。

2.6 电压反馈部分电路

图2.4 电压反馈原理

采用TL431比较，配合光耦PC817隔离进行电压反馈，其R19/R24/VR2进行分压取样；R25/C13是电路补偿网络，防止电压立即改变。

2.7 保护部分电路

图2.5 保护原理

其保护电路总体思路是输出端给一个信号触发光耦U8，光耦再开通由Q1、Q2、R18、R27、C12、C15组成的自锁电路（构成低续流可控硅）。从而使SD4870的VCC对地，从而使SD4870停止工作，从而起到保护作用。输出端的触发信号主要由LM358(U6)送出，U6B是18V过压保护，由R17和R23分压得到一个电压送入比较器U6B正输入，负输入由TL431（U5）给的2.5V左右的基准电压。18V时R23分到2.57V左右时，U6B会翻转，从而保护。U6A是电路、过流保护，主要由R28（0.01欧）取样得到一个电压送入U6A正输入，负输入由TL431（U5）分压得到基准电压，从而得到保护。