1．引言
開(kāi)關(guān)電源從上世紀(jì)50年代問(wèn)世至今以體積小,、效率高而廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī),、通信裝備等幾乎所有的電子設(shè)備。其種類繁多,、形式多樣,，發(fā)展趨勢(shì)也朝著小體積、高效率,、低成本的方向發(fā)展,。這里介紹的3 00 W開(kāi)關(guān)電源屬于隔離型硬開(kāi)關(guān)、半橋式開(kāi)關(guān)電源,，在較低電壓(1 4V)和較大電流(2 2A)輸出的條件下有很好的效率及輸出指標(biāo),，對(duì)核心器件(例如高頻變壓器)進(jìn)行了合理的參數(shù)及繞制工藝設(shè)計(jì),。
高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源中核心能量轉(zhuǎn)換部件，它和普通工頻變壓器一樣也是通過(guò)磁耦合來(lái)傳輸能量的,。不過(guò)在這種功率變壓器中實(shí)現(xiàn)磁耦合的磁路不是普通變壓器中的硅鋼片,，而是在高頻情況下工作的磁導(dǎo)率較高的鐵氧體磁芯或鈹莫合金等磁性材料，其目的是為了獲得較大的勵(lì)磁電感,、減小磁路中的功率損耗,，使之能以最小的損耗和相位失真?zhèn)鬏斁哂袑掝l帶的脈沖能量[1]。
鐵氧體磁芯有EC,、EE、EDT,、EP,、 EPC、 EF,、 EI,、 PQ、 RM,、 P,、LP等多種型號(hào)，應(yīng)用于各種不同的要求,，其中PQ型磁芯具有磁屏蔽好的優(yōu)點(diǎn),，減小了電磁干擾(EMI)的傳播，特別適用于開(kāi)關(guān)電源變壓器,，在50W～1 000W范圍內(nèi)的效果較
好,。
2．用PQ35/35制作300W半橋式變換器高頻開(kāi)關(guān)電源
2.1 300W(14V、22A)半橋式開(kāi)關(guān)電源原理圖
3 00 W(1 4 V,、 2 2 A)半橋式開(kāi)關(guān)電源原理圖如圖1所示,。由原理圖可看出，3 00 W半橋式開(kāi)關(guān)電源主要由兩只功率管IRFP460LC,、高頻變壓器PQ35／35(PC40材質(zhì)),、輸出整流濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路,、保護(hù)電路,、控制電路(篇幅所限本圖未給出)以及輔助電源等組成。
關(guān)于半橋式開(kāi)關(guān)電源原理許多書(shū)籍已詳細(xì)說(shuō)明,，本文不再嗷述,，下面詳細(xì)說(shuō)明高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)和繞制工藝。
2．2 300W半橋式開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)與繞制
半橋式高頻變壓器的磁化特性工作在第一,、三象限,，磁通變化從一Bm到+Bm,，屬于對(duì)稱式工作變壓器，無(wú)需加氣隙,。
(1)估算PQ35磁芯的功率容量
開(kāi)關(guān)電源變壓器功率容量計(jì)算式為[2]：
式中
PT－－變壓器的視在功率,，對(duì)于半橋式PT=(1／ η+1．4 1 4)P。,，其中取效率η=8 5％,，Po=300W， 則PT=777w,；
Ko－－窗口的銅填充系數(shù),，取0．5：
Kf－－波形系數(shù)，方波時(shí)取4,；
Fw－－開(kāi)關(guān)頻率,，本例為1 00KHz：
Bw－－磁芯工作磁通密度，一般取1／3飽和磁通密度,，本例采用P C 4 0材質(zhì),，飽和磁密G s="0"．39T(1 00℃)， 取Bw=0．1 3T：
Kj－－電流密度比例系數(shù),，一般取400：
X－－常數(shù),，由所選磁芯確定，可取一0．1 2,。
則A P＝(7 7 7*1 04／0．5*4*1 00*1 03*0．1 3*4 00)1.14≈0．72cm4,。
也可以由下式計(jì)算[3]：
式中
Pt－－變壓器的標(biāo)稱輸出功率,可取1.5Po為450W;
η－－變壓器的效率,這里取85％：
f－－開(kāi)關(guān)頻率，本例為1 00KH z：
Bm－－磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,，取1 500GS：
δ－－漆包線的電流密度,，1 00KHz頻率可取6A／mm2：
Km－－窗口的銅填充系數(shù)，取0．5：
Kc－－磁芯填充系數(shù),，可取1．0,。
則A P="4" 5 0*1 06／(2*0．8 5*1 00*1 03*1 5 00*4*0．5*1)≈0．59cm4。
而查表P Q 3 5／3 5的A P="4"．3 c m4,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足功率容量要求,，之所以選PQ35也是為以后加大輸出功率做準(zhǔn)備。
(2)計(jì)算原邊繞組匝數(shù)
原邊繞組匝數(shù)可由下面公式計(jì)算：
式中
Kf－－波形系數(shù),，方波時(shí)取
Pt－－變壓器的標(biāo)稱輸出功 4,；率，可取1．5Po為4sow,；
Fw--開(kāi)關(guān)頻率,，本例為η1--變壓器的效率，這里 1ooKH z：
Bw－－磁芯工作磁通密度,，取0．1 3T,；
Ae－－ 磁芯有效面積,，PQ35／35為196mm2；
V－－變壓器原邊電壓,，本例中V=250*1．3／2=1 62．5V,。
則Np=1 6 2．5／4*1 00*1 08*0．1 3*1 9 6*1 0-6≈ 1 5．9，取整1 6匝,。后來(lái)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),，取20匝比較合適。
(3)計(jì)算原,、副邊繞組匝數(shù)比及副邊繞組
可按下式計(jì)算半橋式高頻變壓器的原,、副邊匝數(shù)比：
式中
Np--原邊繞組匝數(shù)
Ns--副邊繞組匝數(shù)
Vi n mi n--最小輸入直流電壓，在交流1 9 0 V加載下約為1 90*1．3=247V,。
V o p－－變壓器應(yīng)輸出電壓,，為電源輸出電壓Vo、整流二級(jí)管正向壓降Vdf和濾波電感直流壓降V L三項(xiàng)之和除以占空比D,，即Vop=(Vo+Vdf十VL)／D。在本例中Vo=14V,、V df="0"．7V,、VL。=0．2V,、D=0．8,，則 Vop=(1 4+0．7+0．2)／0．8=18．625V
則Np／Ns=1／2*247／18．625≈6．6。
副邊繞組Ns=NP／6．6=20／6．6≈ 3匝,，在實(shí)驗(yàn)中2 0：3的匝比取得了很好的效果,。
(4)線徑和根數(shù)的選取
原邊繞組電流為I p="2" P o／Vsη；
Po=Vop*22=14．9*22=327W,；
Vsη=Vin min*η=247*98％=242．0 6,，其中η為變壓器的效率；
則 I p="2"*3 2 7／2 4 2．0.6≈2．7A,。
考慮趨膚效應(yīng),，在l00KHzl00℃下穿透深度為△=7．6 5／F1/2≈0．242mm[4]，2△=0．484mm,， 應(yīng)選擇直徑不超過(guò)0．484mm的漆包線,。考慮有漆的厚度,，實(shí)際中選取了0．49mm
的高強(qiáng)度漆包線,。
取電流密度J=6A／mm2，則單根o．49mm線徑漆包線可通過(guò)電流為：
I=JπD2／4=6*3．1 4*0．49*0．49／4≈1．1 3A
則初級(jí)可用3根并聯(lián),。次級(jí)為I p*Np／N s／I≈1 6根,。因?yàn)榇渭?jí)的電流比較大(2 2A),，也可用銅箔繞制。
(5)高頻變壓器的繞制
高頻變壓器的繞制在制作開(kāi)關(guān)電源過(guò)程中是很復(fù)雜的,，當(dāng)功率管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí),，由漏感存儲(chǔ)的能量釋放會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰，容易造成器件的損壞,、并且惡化效率,，所以要盡量使變壓器的漏感降到最小。這里采用的是“三明治”繞法,，即先繞初級(jí)的一半,，再繞次級(jí)，然后繞初級(jí)的另一半,。這樣初級(jí)將次級(jí)包在里面,，可以增加耦合，減小漏感,。另外采用多股線絞合的方法,，在不同的截面，每一股線交換位置,，有利于電流均衡,；還可以增加線材的表面積，減小高頻電阻,，有利于降低溫升,。
3 0 0 W主功率高頻變壓器用0．4 9mm線徑高強(qiáng)度漆包線，初級(jí)用3根絞線后先繞最里面的1 0圈,，纏2圈膠帶,。接著繞中間的次級(jí)，用1 6根絞線后繞3圈,，甩出中心抽頭,，再按原方向繞3圈，這樣可在同一平面上繞完次級(jí),，只是中心抽頭的來(lái)回兩根線有些稍鼓出來(lái)一些,，之后再纏2圈膠帶。然后繞初級(jí)的后1 0圈,，纏3圈膠帶,。繞制的時(shí)候應(yīng)盡量使線均勻分布，制作完成后測(cè)量電感量為初級(jí)1．27mH,；兩個(gè)次級(jí)5 5μH,。實(shí)踐證明，這樣繞制的變壓器漏感很小，原,、副邊漏感只有幾個(gè)μH,。
(6)驅(qū)動(dòng)變壓器的繞制
驅(qū)動(dòng)變壓器采用罐型磁芯P23／18，罐型磁芯的特點(diǎn)是在所有類型的磁芯中具有最好的磁屏蔽效果,，但是也具有最差的散熱能力,，因此比較適合用來(lái)制作小功率的驅(qū)動(dòng)變壓器。
驅(qū)動(dòng)變壓器用0．2mm線徑,，單根,。先繞高橋開(kāi)關(guān)管的20圈，中間繞原邊的初級(jí)20圈,，最后繞低橋開(kāi)關(guān)管的20圈,。這是另一種采用次級(jí)一初級(jí)一次級(jí)的繞法，同樣可以有效地減小漏感,。制好后測(cè)量電感量大概有1．3mH左右,。
(7)扼流圈的計(jì)算
扼流圈是開(kāi)關(guān)電源二次輸出級(jí)主要功率器件，也是影響輸出電壓指標(biāo)的重要因素,，過(guò)大的電感量會(huì)使輸出的動(dòng)態(tài)特性變差,，而過(guò)小的電感量又會(huì)使輸出的紋波指標(biāo)率差，因此必須選取合適的電感量,。粗略地可按下面公式計(jì)算：
式中
P――輸出功率,；
F――開(kāi)關(guān)頻率；
I――輸出電流,。
則電感量為L(zhǎng)=2*P／f*I2=2*3 00／(1 00*1 03*2 22)，≈1 2 μ H,。
3．紋波抑制和EHI
紋波和E M I是開(kāi)關(guān)電源中的重要指標(biāo),，可以說(shuō)是直接評(píng)價(jià)制作電源好壞的標(biāo)志，因此紋波抑制和減小EM I是每個(gè)電源制作者都要絞盡腦汁去解決的,。下面是300w電源的一些解決方法,。
(1)300w開(kāi)關(guān)電源在輸入級(jí)加入了EMI電源噪聲濾波器。電源EMI噪聲濾波器是一種無(wú)源低通濾波器,，它無(wú)衰減地將交流電傳輸?shù)诫娫?，而大大衰減隨交流電傳入的E M I噪聲；同時(shí)又能有效地抑制電源設(shè)備產(chǎn)生的EM I噪聲,，阻止它們進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它電子設(shè)備,，降低傳導(dǎo)搔擾。
(2)在輸出級(jí)加入了一級(jí)抑制紋波噪聲的共模扼流圈,。使流出的電流和流回的電流在一個(gè)小磁環(huán)上產(chǎn)生相反的感應(yīng)磁通,，使其相互抵消，極大地消除了輸出的高頻噪聲。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),，未加共模扼流圈的輸出電壓用示波器會(huì)看到有20 0mVp-p的高頻噪聲,，加入后只有十幾mVp-p。
(3)其它的抑制措施,。包括在輸入級(jí)串接NT C防電網(wǎng)浪涌電阻,、在功率開(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管以及高頻變壓器初級(jí)接入RC吸收網(wǎng)絡(luò)、使用超快恢復(fù)肖特基二極管等等,，都可以有效地 減小電壓尖峰,、抑制高頻噪聲。
4．結(jié)束語(yǔ)
3 00W開(kāi)關(guān)電源是一款實(shí)用的半橋式硬開(kāi)關(guān)電源,，其效率達(dá)到85％,，輸出紋波在交流2 20V輸入滿載(1 4 V、2 2 A)下只有80MVP－P,，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,，已在通信中繼臺(tái)上做過(guò)24小時(shí)老化實(shí)驗(yàn)，效果很好,。其不足之處在于：由于是硬開(kāi)關(guān)方式,，效率沒(méi)有軟開(kāi)關(guān)好。軟開(kāi)關(guān)的效率一般在90％以上,。
開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)在于主要核心器件的參數(shù)選擇上,，理論計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)在實(shí)際中并不一定就能帶來(lái)好的效果。例如,，主高頻變壓器的匝數(shù)比選擇,，作者曾經(jīng)將匝數(shù)比調(diào)到18：14，結(jié)果每到兩分鐘開(kāi)關(guān)管就燒毀了,。所以,，以理論為依據(jù)，從反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中獲得合理搭配將會(huì)提高效率并降低EMI干擾,。