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1 引言 隨著大規模集成電路的發展，電源模塊的小型化已成為主要研究課題。電源模塊小型化的實現主要從提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構考慮，本文采用國際整流器公司(International Rectifier)的IRIS4007實現了頻率為180 kHz的單片開關電源設計。 2 IRIS4007簡介 IRIS4007是IRIS40xx系列的智能開關電源集成電路。其內部集成了過流保護電路、過壓保護電路、熱關閉電路，以及高壓功率管MOSFET、PWM控制電路，大大減少了外部件數目，宜于電路的小型化。圖1為IRIS4007內部結構原理圖，Vcc為電源引腳。電路啟動時，由供電電源經電阻給電容充電，通過電容的充放電給Vcc腳提供電源電壓。OCP／FB為反饋引腳，實現主電流控制和二次端電壓控制。該器件有兩種工作模式：準諧振模式(Quasi-Reso-nant mode，QR)和脈沖比率控制模式(Pulse Ratiocontrol mode，PRC)。當反饋端電壓在Comp1比較器的門限電壓Vth(1)=0.73 V和Comp2的門限電壓Vth(2)=1.45(最大值為6.0 V)之間時，內部比較器Comp1將使器件工作在固定的Toff=50μs的PRC模式下，因此，在PRC模式下開關電源的頻率在20 kHz以下。當反饋端電壓高于Comp2的門限電壓時。內部比較器Comp2將使器件轉換到QR模式下工作。通過延遲電路可以在Vds也波形的谷點關斷功率MOS-FET，從而實現零電壓關斷，降低高頻損耗。選擇IRIS4007，并設計電路使其在準諧振模式下工作，有利于開關電路的小型化，有助于降低開關電源的高頻損耗。 3 電源電路工作原理及器件選型 設計的開關電源電路如圖2所示，電路參數：輸入電壓為27 V，輸出為800 V／3 mA，效率G=70％，頻率f=180 kHz。 由于輸入電壓為直流，因此只采用由L1，C1，C4構成輸入濾波電路，如果是交流供電，還需要有整流電路。由于單片電源的輸入電壓為直流27 V，因此可以通過電阻R4的分壓為IRIS4007提供偏置電壓，R4的值要根據IRIS4007的工作電流和電壓確定，C6為濾波電容，R2，D3構成了延遲電路，延遲電路用于把準諧振信號從輔助繞組反饋到FB(反饋)引腳，從而實現零電壓關斷，降低了高頻損耗以減少開關損耗，同時它也能為IRIS40xx的內部鎖定電路提供1.35 mA的維持電流。R7，R8，C8構成電流檢測電路，R7是主初級電流檢測電阻。R8和C8用于濾除開關管上的電流沖擊，產生電流沖擊的原因是諧振電容C6的存儲電荷和變壓器的繞組間電容。D2，C5是反饋輸出的整流電路，可為光耦供電。Opto1，R1，R3，2DW232，R5為電壓控制回路，D1，C2，L2，C3構成輸出整流濾波電路。 3.1 高頻變壓器的設計 3.1.1 電源變壓器磁芯的選取 為了滿足開關電源提高效率、減小尺寸和重量的要求，需要一種高磁通密度、高頻低損耗的變壓器磁芯。本設計采用TDK公司的PC44材料的磁芯。按照輸出Vo=800 V，I=4 mA，以及高頻變壓器的裕量6％，則輸出功率Po=800×0.004×1.06=3.392W，選取EPC13的磁芯，該磁芯的有效橫截面積Ae=12.5 mm。 3.1.2 變壓器線圈匝數的計算 初級繞組匝數由式(1)決定： Np=V×108／4BAef (1) 其中，V為施加在電阻上的電壓幅值(V)，B為工作磁通密度2 000(GS)，Ae為磁芯面積(0.125m2)，f為開關頻率(180 000 Hz)，將上述數據代入式(1)可得： NP≈14 次級匝數可由式(2)確定： Ns=[NP(VO+VD)(1-Dm)]／VminDm (2) VO為輸出電壓，VD為整流二極管的壓降，Dm為脈沖信號的最大占空比，此處選為0.5，計算可得： Ns≈400 反饋繞阻匝數的計算：取反饋電壓為VB=13 V，則反饋繞阻匝數由下式確定： NB=NP[V／(VB+VD)] 經計算可得：NB≈10 經反復實踐，證明NP=20，NS=400，NB=10時，電源頻率較高。 3.2 主初級檢測電阻R7的選擇 R7=0.78／Ip (4) Ip為初級峰值電流，峰值電流可由以下公式計算： IP=Iav(2/Dm) (5) 上式中，Iav為初級均值電流，Dm為最大占空比。均值電流可由下式求出： Iav=P0/(η×Vmin) (6) 其中，P0為輸出功率，η為估計所能達到的效率，Vmin為最小輸入電壓。 由式(4)可以計算出，主初級檢測電阻： R7=0.15 Ω 3.3 反饋穩壓回路的設計 由于IRIS4007為電流控制器件，本設計中選用線形光耦PC817A完成電流的反饋，其隔離電壓為5 000 V，傳輸率CTR為80％～160％。其電路中的電壓控制采用穩壓二極管2DW232，輸出電壓的穩定則通過反饋引腳電流的變化(即負載電流的變化)來改變IRIS4007內部PWM波占空比來實現。由于負載電流比較小，為減小R3、R5支路的分流，R3+R5的阻值要遠遠大于負載的阻抗。 3.4 輸出整流濾波電路 輸出整流二極管需要選擇開關特性好、反向恢復時間短、耐壓高的快恢復二極管，電容的選取不僅要求參考電容值，還要求其耐壓值要高。本設計中的電容選用了TDK公司的高壓貼片電容，型號為C4532X 7R3A103KT，有利于減小電路板尺寸。 4 測試結果及結論 根據上述設計原則，使用IRIS4007設計了單端反激式開關電源，所設計的高壓電路板的尺寸為2.3cm×3.1 cm。對所研制的電源進行了測試，圖3～圖5分別為電路正常工作時的實測波形。該開關電源在實際中已做為激光陀螺的電源獲得了應用，實際工作中性能穩定，可靠性高，抗干擾能力強。 |
