开关电源设计-准谐振反激式开关电源的实现
准谐振反激式电源原理(NCP1207 P38)
Keywords: quasi-resonant,switching power supply, flyback, NCP1207
II
目
录
摘要 ............................................................................................................................................I Abstract .................................................................................................................................. II 第1章 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1.1 开关电源的发展 ................................................................................................. 1 1.1.2 准谐振开关电源的优点[3] .................................................................................. 2 1.1.3 准谐振开关电源的缺点[3] .................................................................................. 3 1.2 设计要求 ...................................................................................................................... 3 1.3 完成设计方案 .............................................................................................................. 4 1.3.1 DC-DC 主回路拓扑............................................................................................. 4 1.3.2 控制方法及实现方案 ......................................................................................... 4 1.3.3 提高效率的方法及实现方案.............................................................................. 4 第 2 章主电路设计 .................................................................................................................... 5 2.1 准谐振开关电源的基本原理[4] .................................................................................... 5 2.2 输入电路 ...................................................................................................................... 7 2.2.1 输入电路的选择 ................................................................................................. 7 2.2.2 主要参数计算..................................................................................................... 7 2.3 变换电路 ...................................................................................................................... 9 2.3.1 变压器设计......................................................................................................... 9 2.2.2 开关管选用....................................................................................................... 14 2.2.3 谐振电容 .......................................................................................................... 14 2.4 缓冲电路 ..................................................................................................................... 15 2.4.1 缓冲电路原理................................................................................................... 15 2.4.2 参数计算 .......................................................................................................... 16 2.5 输出电路 .................................................................................................................... 18 2.5.1 输出整流器的选择 ........................................................................................... 18 2.5.2 输出滤波电路设计 ........................................................................................... 19 第3章 控制电路设计 .......................................................................................................... 20 3.1 控制芯片 NCP1207 [5] ................................................................................................ 20 3.2 过电压保护电路和磁通复位检测电路 ...................................................................... 22 3.4 过电流保护电路 ........................................................................................................ 23 3.5 电压反馈电路 ............................................................................................................ 24
基于准谐振技术的反激式高压电源设计
in
1
在导通结束前,初级电流上升达到:
Ipeak=
(2)
式中I 为峰值电流,A;T 为开关管导通时间,s。
peak
on
此时变压器储存的能量为:
E=
(3)
开关管导通时,一个周期内直流母线电压提供的功 率为:
P=
(4)
式中,T为开关管的开关周期,s。
2 准谐振反激式电源
准谐振反激式电源原理如图3所示。其中,R1为变压 器初级电感的等效电阻,Lleak为原边等效漏感量,Coss为 MOS管的外部输出电容。当发生准谐振时,原边能量全
第38卷 第11期 2020年 11月
数字技术与应用 Digital Technology &Application
Vol.38 No.11 N2o0v2e0m年b第er 12102期0
设计开发
DOI:10.19695/12-1369.2020.11.39
基于准谐振技术的反激式高压电源设计
VCS=0.14×(VCOMP-2.5)×(3-VVFF)
(5)
式中,VCS、VCOMP、VVFF为各引脚上的电压,V。
误差放大器的电压一般取VCOMP=5.6V,上式可简
化为:
VCS=0.43×(3-VVFF)
=0.43×(3-VCC×
)
(6)
V 为芯片外部供电电压,V;R ,R 为分压电阻,Ω。
裴子轩 吴一 黎坤
(中国航天第九研究院十六研究所,陕西西安 710100)
摘要:如今,高频开关电源的使用愈加广泛,但随着开关频率的增加,相应的开关损耗也会增加。基于L6565D控制芯片,采
用准谐振技术,设计了一种反激式高压电路,应用于激光陀螺高压电源中。由于L6565D控制芯片具有电压前馈功能,可以根据
准谐振开关电源的设计
准谐振开关电源的设计1.引言准谐振开关电源是一种采用谐振电路来驱动开关管的电源设计。
通过控制开关管的导通时间和关断时间，实现谐振振荡，从而提供稳定的输出电压。
准谐振开关电源具有高效率、高稳定性、小体积等优点，在各种应用中得到广泛应用。
2.设计原理3.主要电路设计a.输入滤波电路输入滤波电路主要用于抑制电源噪声和滤波杂波，确保输入电源的稳定性。
一般采用电容器和电感器的组合来实现。
b.整流电路整流电路用于将交流电源转换为脉冲直流电压。
常用的整流电路包括单相全波整流电路和三相桥式整流电路。
c.谐振电路谐振电路是准谐振开关电源的核心部分，通过合理的选择谐振频率和谐振元件的参数来实现输出电压的稳定调节。
谐振电路常采用LC谐振电路，谐振元件主要由电感器和电容器组成。
d.输出滤波电路输出滤波电路主要用于去除输出电压中的纹波和杂波，确保输出电压的稳定性。
一般采用电容器和电感器的组合来实现。
4.设计要点a.合理选择谐振频率和谐振元件的参数，确保谐振电路的稳定性和输出电压的精度。
b.控制开关管的导通时间和关断时间，确保开关管工作在合适的状态，减小功耗和热损耗。
c.使用高效率的开关管和电源管理芯片，提高整体电源的转换效率。
d.使用合适的散热装置和温度感知器，确保电源的散热性能和稳定性。
e.遵循安全设计原则，采取必要的保护措施，确保电源的可靠性和使用者的安全。
5.结论准谐振开关电源是一种高效、稳定的电源设计，能够提供稳定的直流电压输出。
设计时需要合理选择谐振频率和谐振元件的参数，并控制开关管的导通时间和关断时间。
此外，合理选择开关管和电源管理芯片，使用合适的散热装置和温度感知器，严格遵循安全设计原则也是必要的。
准谐振开关电源的设计需要综合考虑电路原理、元器件选择、热设计和安全设计等因素，才能获得稳定、可靠的电源设计。
L6565(自己总结的)
一．准谐振反激式开关电源原理分析：准谐振反激式开关电源等效原理图准谐振反激式开关电源等效原理图如上图所示。
其中Lm为原边励磁电感， Lk为原边漏感。
电容Cd包括主开关管Q的输出电容Coss、变压器的匝间电容以及电路中的其他一些杂散电容。
Rp为初级绕组的寄生电阻，包括变压器原边绕组的电阻，铜线的高频趋肤效应、磁材料的损耗以及辐射效应的等效电阻.准谐振反激式开关电源工作在DCM或CRCM状态，副边二极管电流下降到零之后（当副边绕组中的能量释放完毕之后，即变压器磁通完全复位），电容Cd，原边电感Lp=Lm+Lk以及电阻Rp构成一个RLC谐振电路，主开关管Q两端电压Vds将产生振荡，振荡频率由L P、C P决定，衰减因子由R P决定.对于传统的反激式变换器，其工作频率是固定的,因此开关管V ds再次导通有可能出现在振荡电压的任何位置(包括峰顶和谷底),视负载情况而定.而这无疑增加了开关管的损耗。
可以设想，如果控制开关管每次都是在振荡电压的谷底导通,那么就可以实现零电压导通(或是低电压导通)，这必将减少开关损耗，降低EMI噪声。
准谐振反激式开关电源正是如此,不管负载情况如何，总是在当检测到Vds波形振荡到谷底时，控制器控制主开关管Q开通，降低主开关管Q的开通损耗，同时使得输出电容Cd上的能量损耗达到最小。
这个的实现方法比较简单，只要增加磁通复位检测功能（通常是辅助绕组来实现)，以便在检测到振荡电压达到最低点时打开开关管，就能达到目的.二．L6565芯片:L6565芯片特点:在轻负载下也能自动降低工作频率，以保证变换电源能够最大限度的工作在电压过零ZVS 状态.同时因线电压前馈功能,有可以确保变换电源在电网电压波动幅度足够大时，其输出功率仍然维持恒定。
芯片内部集成有启动电路、精密基准电压源、电压误差放大器、电流检测比较器、零点流检测电路、RS 锁存器、图腾柱式驱动级以及打嗝模式比较器和过流保护等功能。
L6565引脚图1 .INV 输出电压采样反馈输入2 。
反激准谐振的开关电源设计
反激准谐振的开关电源设计基于UCC28610电源网论坛老梁头反激式开关电源工作原理当开关K 导通时�由于变压器同名端�次级二极管反向截止�变压器初级电感储存能量�当开关K 关断�次级二极管正向导通�变压器初级储存的能量释放�给电容C 充电和向负载提供能量�图一 反激开关电源原理图反激式开关电源的DCM 工作模式图二 DCM模式VDS 电压波形图三 DCM模式电流波形DCM模式也叫完全能量转换模式，也就是常说的非连续模式，就是指磁芯中的能量完全释放（图三中Ip波形），次级整流二极管过零之后（图三中Is波形），初级开关管导通。
此模式的优点是次级整流管没有反向恢复问题，环路容易稳定。
但由于其磁芯能量完全释放，所以初级的电感电流降为零，此时导通的峰值电流比较大，电流有效值比较大，铜损和MOS的导通损耗比较大。
还有一个缺点由图可见当绕组中的能量完全释放完毕后，在开关管的漏极出现正弦波震荡电压，此震荡是由于MOS的结电容和原边电感引起的。
而对于传统的反激式变换器，其工作频率是固定的，因此开关管再次开通，有可能出现在震荡电压的任何位置（包括顶峰和谷底），为开关管带来开通损耗！反激式开关电源的CCM工作模式图四 CCM模式VDS电压波形图五 CCM模式的电流波形CCM模式也叫不完全能量转换模式，也就是常说的连续模式，就是指磁芯中的能量没有完全释放（图五中Ip波形），次级整流二极管没有完全过零的时候（图五中Is波形），初级的开关管导通。
此模式优点是磁芯能量没有完全释放，所以初级电感电流没有降为零，同等功率下此时的峰值电流有效值要比DCM小，所以铜损和MOS的导通损耗要比DCM小；但由于其次级整流管电流没有降到零，所以会有一个整流管反向回复时间带来的损耗。
另外CCM的负载在空载到满载变化时，会经历DCM → CRM → CCM三个阶段，当从DCM到CCM过渡时，传递函数会发生变化，容易震荡；当占空比比较大时容易产生次谐波震荡，往往需要加斜率补偿。
反激式开关电源准谐振变换的实现
反激式开关电源准谐振变换的实现
准谐振变换的基本原理是通过控制开关管的导通和截止，使得电感和
电容在谐振频率上发生能量交换，从而实现对输入电源的变换。
其工作周
期分为两个状态，分别是开关导通状态和开关截止状态。
在开关导通状态下，开关管导通，输入电源的电流通过开关管和电感
流入负载。
此时，谐振电容的电压为零。
当电流达到峰值时，开关管截止。
在开关截止状态下，开关管截止，负载和电感之间形成了一条环路。
电感和谐振电容开始发生交换能量，将负载能量储存到电感中，谐振电容
的电压开始增加。
为了实现准谐振变换，需要考虑谐振频率的选择和谐振网络的设计。
谐振频率的选择取决于输入电压和输出电压的比例关系。
谐振网络的设计
主要包括谐振电感、谐振电容和开关管的选择。
在实际应用中，准谐振变换可以实现高效率、小体积的电源变换。
与
传统的开关电源相比，准谐振变换具有以下特点：
1.高效率：准谐振变换可以实现高达95%以上的转换效率，减少能量
损耗，提高能源利用率。
2.小体积：准谐振变换可以采用高频开关管，减小变压器和谐振元件
的尺寸，使整个电路体积更小。
3.稳定性好：准谐振变换通过控制开关管的导通和截止，使得能量交
换在谐振频率上发生，输出电压较为稳定。
4.输入电流波形好:准谐振变换在输入电流波形上具有较低的峰值和
谐振频率，减小了对输入电源的干扰。
总之，反激式开关电源准谐振变换通过谐振网络的设计和控制实现对输入电源的变换，具有高效率、小体积和稳定性好的特点。
它在电源变换领域有着广泛的应用前景。
准谐振Flyback开关电源的设计
准谐振反激式电源设计之探讨
准谐振反激式电源设计之探讨
准谐振反激式电源基于开关电源的工作原理，通过变换器来将输入电
压转换为所需的输出电压。
与传统的开关电源相比，准谐振反激式电源采
用了谐振技术，能够使开关管的开关损耗降低并提高转换效率。
同时，准
谐振反激式电源在输出电压波形方面更接近理想正弦波，减小了输出电压
的谐波含量。
在准谐振反激式电源的设计中，选择关键元件是非常重要的。
首先是
选取合适的开关管，一般采用功率MOSFET管。
这些MOSFET管具有较低的
导通压降和开通失真，能够提高电源的效率和稳定性。
其次是选取合适的
谐振电感和谐振电容，这些元件的选取需要考虑到工作频率、输出功率和
电源的效率等因素。
除了关键元件的选择，准谐振反激式电源的设计流程也是十分重要的。
设计流程一般包括以下几个步骤：确定输出电压和输出功率的要求，计算
开关管和谐振元件的参数，进行电路拓扑结构的选择，进行电路仿真和优化，最后进行实际电路的搭建和测试。
在进行电路仿真和优化时，可以使用一些专业的电路仿真软件，如PSPICE或SIMPLIS等。
通过仿真可以得到电路的工作性能参数，对电路
进行优化和调整。
在电路搭建和测试时，可以使用示波器、电压表等仪器
来检测电路的工作情况和性能。
总之，准谐振反激式电源是一种非常重要的开关电源模式。
在设计准
谐振反激式电源时，需要选择合适的关键元件，并进行电路仿真和优化。
只有经过严谨的设计流程和实际验证，才能得到高效、稳定的电源系统。
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数字降频的开关管漏-源极电压波形
负载进一步减轻时开关管在第三个漏-源电 压的极小值处开通
数字降频的开关管漏-源极电压波形
负载更加减小时开关管在第七个漏-源电压 的极小值处开通
应用ICE1QS01实现准谐振反激式开关电源
电路板元件排布图
电路的印制板图
电流泵对功率因数的贡献
通过简单的电路可以将开关电源的功率因 数提高到要求值。
3. 用NCP1207实现准谐振反激式开关电 源
（1）75W显示器开关电源电路图
75W显示器开关电源电路板图
75W显示器开关电源电路板元件排布图
动态自供电示意
（2）12V24W带有同步整流器的准 谐振开关电源设计实例8127D
电路图
电路板图
元件排布图
变压器设计
输入电压与整流输出电压
变压器设计
效率按87%计算，输入功率与输出功率的 关系：
变压器设计
直流母线的电流平均值
变压器设计
开关管选择800V耐压，对应的反冲电压： 其中尖峰电压选330V。
变压器设计
最大占空比：
变压器设计
开关管峰值电流：
变压器设计
开关频率为70kHz时对应的开关管导通时间
2. 应用ICE1QS01实现准谐振反激 式开关电源
解决方法2：数字降频
利用Infineon的数字降频的准谐振反激式开 关电源控制芯片ICE1QS01对反激式开关电 源进行控制，实现数字降频。
数字降频特性
数字降频的开关管漏-源极电压波形
重负载时开关管的漏-源极电压波形
数字降频的开关管漏-源极电压波形
（二）准谐振反激式开关电源的实 现
应用IRIS4015实现准谐振反激式开关电源; 应用ICE1QS01实现准谐振反激式开关电源;
应用NCP1207实现准谐振反激式开关电源。
1. 应用IRIS4015 实现准谐振反激式开关电源
样机的电路板元件排布图
样机的电路板图
轻载时的开关管漏-源极电压波形
变压器设计
选择EF25磁芯，有效截面积：52.5mm2， 最大磁感应强度选250mT，对应的初级绕 组匝数：
变压器设计
绕组导线的选择，为了降度绕组的损耗， 可以采用多股线绕制，如0.12mm/4股绞和 后绕制
变压器设计
对应的初级电感量：
变压器设计
对应的磁芯的电感系数：
变压器设计
次级绕组匝数：
最高电源电压和最大负载时开关管 漏-源极电压波形
电源电压在180 VAC时效率与输出功率的关系
电源电压在240 VAC时效率与输出功率的关系
满负载的开关管栅极电压与漏极电 压波形（180V、输入时）
中等负载的开关管栅极电压与漏极 电压波形
轻负载
空载的开关管栅极电压与漏极电压 波形
满负载时的开关管漏-源极电压波形
需要解决的问题
轻负载时开关频率升高的限制。 解决方法1：采用QR/PRC（准谐振/脉冲比 率控制）控制方式 。
PRC工作状态下的空载漏/源极电压波形
测试结果
1. 样机：输入220VAC±20%，输出电压 24VDC/3.5A。 2.电源效应与负载效应：＜1%。 3.效率：89%。 4. 输出电压尖峰：88mV（100MHz示波器 测试）
变压器设计
次级绕组可采用多股线绕制，可选用 0.22mm/24股绞和后绕制，或直接购买同 规格的lizi线。
变压器设计
辅助绕组匝数：
变压器设计
辅助绕组可以采用0.15mm漆包线绕制。
变压器设计
绕法：最里面为1/2初级，然后为次级，再Байду номын сангаас绕另1/2初级，最后是辅助绕组。
输出电流互感器设计
不同输出功率时开关管漏-源极电压波形