5V35W反激式电源报告
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5V35W反激式电源
1.设计目标
额定输入电压
??
in_mon
：220V
最低输入电压
??
in_min
：187V
最高输入电压
??
in_max
：253V
输出电压
??
??????
：5V
输出功率
??
??????
：35W
设计效率η：80%
工作频率
??
??
：100kHz
控制模式：PI
仿真软件：MATLAB
2.计算过程
输入电压经过桥式整流滤波电路后得到相对稳定的直流电压，计算在交流电压在输入额定、最低与最高电压时的直流母线电压分别为：
??
bus_nom
=
2
?
??
in_mon
=311??
??
bus_min
=
2
?
??
in_min
=264??
??
bus_max
=
2
?
??
in_max
=357??
设计中留有余某某，取输入最低电压
??
bus_min
为250V进行设计。假设反激变压器初级绕组的感应电压
??
OR
为230V，计算得到最大占空比为：
??
max
=
??
????
??
????
+
??
bus_min
?
??
????
=0.484
其中
??
????
假设为5V，计算输入功率：
??
????
=
??
??????
??
=43.7??
计算满载情况下输入平均电流为：
??
AVG
=
??
????
??
bus_min
=0.175??
输入宽电压范围的情况下设定初级绕组脉动电流IR 与峰值电流IP 的比例系数
??
RP
为0.8，计算初级绕组峰值电流和脉动电流分别为：
??
P
=
??
AVG
(1?0.5?
??
RP
)
=0.6??
??
R
=
??
RP
?
??
P
=0.482??
计算变压器初级有效值电流为：
??
RMS
=
??
P
?
??
max
?
??
RP
2
3
?
??
RP
+1
=0.269??
计算得到变压器初级侧激磁电感为：
??
??
=
??
??????
??
P
2
??
RP
(1?0.5
??
RP
)
??
??
0.5
1???
+??
??
=2.26????
假定二极管的导通压降
??
??
为0.5V，即可计算出变压器原副变比：
??
????
=
??
max
(1?
??
max
)
(
??
bus
min
?
??
????
)
??
??????
+
??
??
=41.8
取反激变压器的窗口填充系数Ko为0.4，电流密度系数Kj取4，同时变压器的磁通量Bw为0.2T，则根据经验公式计算所需磁芯的最小AP值为：
??
??
=
(
??
??
??
P
2
10
2
??
??
?
??
??
?
??
??
)
1.14
=0.22
????
4
选择EE3528的磁芯设计变压器，查询磁芯手册得到该磁性的窗口和截面积参数为：
??
??
=88?
mm
2
??
??
=84.8?
mm
2
选取正常工作时的
??
??????
为0.2mT，计算变压器初级匝数
??
p
：
??
??
=
??
bus
min
??
max
??
??
??
??????
??
??
=71匝
变压器次级匝数：
??
??
=
??
??
??
????
=2匝
3.PI补偿器设计
查阅相关文献资料可知反激电源从占空d比至输出电压Vout的传递函数为：
??
vd
=
D
′
??
??
????
+
??
??????
??
???
??
??
??
??
??
??????
??
D
′
s
2
??
??
??
out
??
2
+
??
??
??
2
??
??+
D
′
2
D’为关断占空比，n等于
1
??
????
，R为输出负载。
仿真中，取三角波的峰值电压位Vm=1，分压电阻R1=10k，R2=10k，输出5V时，两者分压后为2.5V。整体传递函数如下。
??=
??
vd
?
1
??
??
?
??
1
??
1
+
??
2
根据上述计算所得的反激电源稳态工作点，用Matlb绘制其从占空比d到输出电压传递函数
??
vd
的波特图。
/
未补偿前的反激开环传递函数
如上图所示，反激变换器的穿越频率3kHz左右，相位裕度接近小于0，增益裕度大于0，是一个不稳定系统。
使用PI补偿器对其进行环路补偿设计，传统的PI的传递函数
??
c
表示如下：
??
c
=
??
??
??+
ω
??
s
ω
??
为传递函数的需要设计的零点。
将PI的穿越频率
??
??
点放置于200Hz，为了保证系统具有较好的相位余某某。将零点放置在
f
z
=10??????。则计算：
ω
??
=2??
f
??
=62830
反激变换器传递函数在100Hz处的增益为17dB，为保证补偿后的传递函数增益为0：
20????
??
??
??
??
=?17dB
??
??
=0.002792
补偿器的传递函数为：
??
c
=0.002792
??+62830
s
用Matlb绘制PI补偿器波特图：
/
PI补偿器
绘制补偿后的反激开环传递函???
??
c
波特图如下：
/
补偿后的反激开环传递函数
如上图所示，补偿后的bode图显示开环传递函数具有200Hz的穿越频率，具有50度的相位余某某，-22.7dB的增益余某某。整体matlab文件代码如下所示：
D1=1-0.4842;
n=1/41.818;
Vg=250;
Vout=5;
Pout=10;
Lm=2260*10^(-6);
R=Vout*Vout/Pout;
C=1310*10^(-6);
Vm=1;
Gm=1/Vm;
R1=10000;
R2=10000;
H=R1/(R1+R2);
s=tf('s');
Gvd=((D1*n*(Vg+(Vout/n)))-(s*Lm*n*Vout*n/(R*D1)))/(s*s*Lm*C*n*n+(Lm*n*n*s/R)+D1*D1);
G=H*Gm*Gvd;
wz=62830;
Kc=0.000738;
Gc=Kc*(wz+s)/s;
w=logspace(1,7);
p=bodeoptions;
p.PhaseVisible='on';
p.FreqUnits='Hz';
bode(G*Gc,w,p);
grid on;
4.仿真与仿真结果
在Simulink仿真软件，搭建了5V35W反激式开关电源仿真模型。由交流源、整流桥与滤波电容，反激高频变压器、MOS开关管，整流二极管、输出滤波电容及负载等等组成。控制部分由输出电压环组成。根据上述计算得变压器参数和定义的参数，得到反激变换器模型如下：
/
仿真模型
输入交流电压为额定220V，输出0.714欧姆负载（满载情况）。仿真稳态波形如下图所示，在设计得PI参数控制下，输出电压在启动后进入了输出满功率稳态。
/
稳态情况
使用可变交流控制源设置交流输入电压跳变源，将两种电源分别设置为220VAC和187VAC，电源运行进入稳态5V35A，在0.4S处输入交流电从220V跳变至低压187V，输出在闭环控制下依然保持为5V35A，具有较好的控制特性。仿真如下图所示。
/
电源跳变下仿真结果
负载跳变仿真模型
使用继电器功能动态切换反激电源负载。设置初始负载为3.571欧姆（20%载）。0.1S电源进入稳态后，继电器动作使得输出负载瞬间跳至100%。如仿真图所示，电源启动进入稳态，当负载重20%切换至100%时，输出电流瞬间上升，输出电压下降，但在闭环PI控制下，输出重新达到了稳态，具有较好的输出动态特性。
/
负载跳变仿真
5. 器件清单
器件类型
规格/型号
保险丝
2A/250VAC
热明电阻
47D-20 NTC
X电容
100nF/275VAC
共模电感
10mH
压敏电阻
10D561K
整流桥
KBP608
母线滤波电容
68uF/400V
开关管
FQP8N80C
高频变压器
EE3528
主路整流二极管
SBR20U100CT
辅路整流二极管
1N914
RCD钳位电路
100kΩ/FR106/1nF
输出滤波电容
330uF/25V*4颗
电流检测电阻
0.68R/2W
主控芯片
UC3842
光耦
PC817
基准芯片
TLV431
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