基于TEA1751的反激式准谐振开关电源的设计

基于TEA1751的反激式准谐振开关电源的设计
摘要：准谐振是一种能够实现零电压开通，减少开关损耗，降低EMI噪声的变换方式。

该文介绍了准谐振变换的工作原理，设计并实现了一种采用芯片TEA1751为控制电路的准谐振反激式开关电源。

与传统的反激式硬开关变换器相比，减少了开关管的开关损耗，提高了开关电源的效率。

关键词：开关电源；准谐振变换；零电压开关中图分类号：文献标识码：文章编号：
0 引言
随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于电子设备，是当今电子信息产业不可缺少的一种电源方式[1]。

由于开关电源频率的提高，开关电源苦工作在硬开关状态，开关管开通时，开关管的电流上升和电压下降同时进行。

关断时，电压上升和电流下降也同时进行。

电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急剧增加。

为了提高电源的效率，就必须减少开关管的开关损耗。

也就是要求开关电源工作在软开关状态。

软开关技术实际上就是利用电容与电感的谐振，以使开关管上的电压或通过开关管的电流按正弦或者准正弦规律变化，在减少开关损耗的同时也可控制浪涌的发生。

在软开关技术中，有全谐振、准谐振、多谐振等变换方式[3]。

本文引入准谐振变换方式来提高开关电源的效率。

1 反激式准谐振变换基本工作原理
图1反激式准谐振开关电源的原理图
图1所示为反激式准谐振开关电源的原理图，其中：RP 包括变压器初级绕组的电阻以及线路电阻，T为开关变压器，Lm 为初级励磁电感量，Llk为初级绕组漏感量，VT为MOS开关管，VD为整流二极管，Co为滤波电容，电容Cr 为缓冲电容，也是谐振电容，包括开关管VT 的输出电容COSS ，变压器的层间电容以及电路中的其他一些杂散电容。

图2反激式准谐振开关电源的工作波形
准谐振变换的工作波形如图 2 所示，在准谐振变换中，每个周期可分为4个不同的时间段，各时间段分析如下：
（1）t0～t1 时段
开关管导通，输入电压全部加到初级电感（包括励磁电感Lm和漏感Llk）上，电感电流以斜率线性增大。

此时能量被存储在初级电感中(称磁化)，开关管的漏源极电压= 0，整流二极管VD 截止。

电流达到后开关管被关断。

开关管开通时间为：
（1）
（2）t1 ～t2 时段
t1 时，MOS开关管被关断。

先是Lm与Llk串联对充电，由于两端电压不能突变，开关管的漏源极电压以斜率为
上升。

随着的充电，当两端电压为时( 为整流二极管VD的正向导通电压，N为变压器T的初次级匝数比)，VD
导通，储存在变压器中的能量通过变压器由次级绕组释放给负载，并给电容器Co充电。

然后Llk 和Cr发生振荡，由于RP的存在，该振荡为阻尼振荡。

若忽略漏极上的其他电容的影响，其峰值电压为：
果,尽管VT无法实现零电压开通，但是在t4时刻导通仍然可以最大程度地减小VT的开通损耗。

从以上四个时段的分析可知，谐振元件仅参与某一时段的能量变换，没有全程参与，故称为准谐振变换。

2 电路实现
图3 基于TEA1751的准谐振反激式开关电源的原理图
图3就是基于TEA1751的准谐振反激式开关电源的电路图，主要元器件有：主芯片TEA1751、变压器T2、场效应管S2、谐振电容C7、输出整流管D2、光电耦合器IC2、基准电压源IC1等，其中TEA1751内部有启动电流源、频率控制、输出驱动、过热保护、过压保护、过流保护、过载保护等电路。

AC 90V-264V电压经过整流器BD1整流和C1滤波，经L1、S1、D1、C10的功率因素校正电路后得到直流高压电压，此直流高压经过中心抽头和电阻R13连结至TEA1751的16脚，通过TEA1751内部的高压电流源穿过TEA1751 的1脚向C9充电。

当1脚电压上升至22V时，TEA1751由1脚供电。

TEA1751的13脚输出开关脉冲，控制开关管S2的开通与关断，高压直流电压通过变压器T2的初级绕组、S2、R11到电源的地端。

此时T2通过初级绕组存储能量。

利用变压器的同名端作用。

这时的次级线圈整流管D2因反向电压而截止。

只有当S2关断，初级绕组电流有减小趋势时、此时S2初级绕组存储的能量通过S2的次级绕组、次级整流管D2向电容Cout充电与负载供电,产生Uo输出电压。

输出电压经过R15，R16电压取样以及与IC1基准电源、取样信号放大电路，再经过光电耦合器IC1对TEA1751的3脚设置反馈控制电压，以达到稳定输出电压的目的。

过流检测电阻R11 上的电压也经过R10加到TEA1751的10脚。

开关变压器的磁复位检测由辅助绕、R12、TEA1751的4脚组成。

辅助绕组是去磁检测绕组，其两端电压波形与开关管S2的漏极电压基本相同。

该电压一方面经过D2、C9整流滤波后，给芯片TEA1751的1脚供电，另一方面，电压通过R12直接通连结至TEA1751的4脚。

TEA1751的内部电路监视4脚电压波形，以便在去磁时段未结束前不输出开关脉冲，并能将开关管S2控制在漏源极电压降到谷底时开通。

同时TEA1751的4脚还具有过压保护和过功率保护的作用。

3 实验结果
图4 220AC输出功率为90W时MOSFET的漏极电压波形
图4是满载时的开关管的漏极电压波形，开关管在Vds的第一个谷底开通，因而减少了开关管的开通损耗。

表1 基于TEA1751的90W开关电源的效率（满载）
表1所示为在全负载条件下，在各个不同电压值下测得的开关电源的转换效率，通过实验与传统的反激式硬开关变换器在相同条件下的效率对比，采用准谐振技术能显著的提升开关电源的转换效率。

4 总结
反激式开关电源若是工作在准谐振变换方式，可实现零电压关断和基本零电压开通，可实现高效、低功耗、低成本等电源设计要求。

实验结果与理论分析基
本一致，开关管在漏源极电压谐振到谷底的时开通，这样既减少了开通损耗，减轻了电磁干扰，又提高了变换效率。

参考文献
［１］周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源实用技术设计与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2007：105-108．
［２］沙占友，马洪涛．准谐振式软开关变换器的设计[J]．电源技术应用，2008，(2)：59-64．
［３］李雄杰．反激式开关电源准谐振变换的实现．电气应用，2005，24(3)：110-112
［４］王维新，王书堂．低损耗准谐振反激变换器的实现[J]．电源世界,2009，(7)：34-36.
［５］ Shiroyama H，Matsuo H，Ishizuka Yet al.Analysis of the Noise and Efficiency Characteristics in a Quasi resonant Converter[A].IEEE INTELEC 07[C].2007：899-903.
［６］ Anitha, T. and S. Arulselvi. Study of cross-regulation and intelligent control of a flyback quasi resonant converter. in Industrial Electronics and Applications, 2009. ICIEA 2009. 4th IEEE Conference on. 2009.
［７］ Ba Thunya A S，Pillai S K，Prasad D. Some Novel Topologies of Soft switched Quasi resonant DC-DC Converters with Mini-mum V oltage Stress across the Switch[A].IEEE IECON 98[C].1998：538-546.。