北京环鼎科技有限责任公司 姚晓兵



石油工业中小功率反激式开关电源的研究

北京环鼎科技有限责任公司 姚晓兵

电源应用是电力电子技术的一个重要应用领域，在石油工业中，需要各种各样的智能电器设备。作为智能电器的一种，小功率反激式开关电源具有能耗小、效率、稳压范围宽、质量轻和体积小等特点，得到了广泛的应用，本文重点对其工作原理、吸收电路、参数计算等进行了论述。

开关电源；反激式；石油工业

1　反激式变换器的工作原理

反激式变化器的工作原理图，见图1：

图1　反激变换器的原理图

当有源开关Q导通时，变压器原边电流增加，会产生上正下负的感应电动势。而在副边产生下正上负的感应电动势，如图所示，无源开关 VD1 因反偏而截止，输出由电容C向负载提供能量，而原边则从电源吸收电能，储存于磁路中。当有源开关Q截止时，由于变压器磁路中的磁通不能突变，所以在原边会感应出上负下正的感应电动势，而在副边会感应出上正下负的感应电动势，故VD1 正偏而导通，如图所示，此时磁路中的存储的能量转到副边，并经二极管VD1向负载供电，同时补充滤波电容C在前一阶段所损失的能量。输出滤波电容除了在开关Q导通时给负载提供能量外，还用来限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远小于稳态的直流输出电压。这就是反激式变换器的工作原理。

2　反激式变换器的吸收电路介绍

实际反激变换器会有各种寄生参数的存在，如变压器的漏感，开关管的源漏极电容。所以基本反激变换器在实际应用中是不能可靠工作的，其原因是变压器漏感在开关Q截止时，没有满意的去磁回路。为了让反激变换器的工作变得可靠，就得外加一个漏感的去磁电路，但因漏感的能量一般很小，所以习惯上将这种去磁电路称为吸收电路，目的是将开关Q的电压钳位到合理的数值。在220V AC输入的小功率开关电源中，常用的吸收电路主要有RCD吸收电路和三绕组吸收电路。

3　设计参数的计算

在本次设计中提供的变压器的铁芯是EE28铁氧体铁芯，其在25摄氏度的磁导率为，铁芯的初始磁导率为。

变压器选择的相关参数包括：原副边匝数比、原边匝数NS、副边匝数和气隙，本次设计中用到的变压器的绕组的漆包线已经给定，无需选择。

3.1原副边匝数比及其匝数的确定

根据实习任务的要求；需要的直流输出电压为8V和6V，由器件本身的参数可以知道其耐压。

一般来说开关管的耐压需要在这个基础之上留下至少30%的裕量。假设开关管的耐压极限为：

为了保证电路工作于DCM模式，磁路储能和放电总时间应该控制在0.8T以内，所以：

3.2原副边匝数的计算

3.3气隙长度的计算

所以可以得到：

其中有以下关系；

则原边的峰值电流为：

带入上式可以得到初级电感。

气隙的长度为：

4　控制系统的设计

4.1振荡器

4.2电压误差放大器

在本次设计中在输入与输

出的隔离开关电源中，为了减小误差，通常采用外置电压环，即将U3845的内部误差放大器旁路掉。

4.3电流比较器

（1）UC3845

UC3845芯片为SO8或SO14管脚塑料表贴元件。专为低压应用设计。其欠压锁定门限为8.5v（通），7.6V（断）；电流模式工作达500千赫输出开关频率；在反激式应用中最大占空比为0.5；输出静区时间从50%～70%可调；自动前馈补偿；锁存脉宽调制，用于逐周期限流；内部微调的参考源；带欠压锁定；大电流图腾柱输出；

输入欠压锁定，带滞后；启动及工作电流低。

（2）TL431（见图2）

TL431是一个良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。外部有三极分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）、参考端（REF）。其芯片体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以可以用来制作多种稳压器件。

其具体功能可用图中的功能模块示意。由图可看出，是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放特性可知，只有当REF端的电压十分接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管，电流将从1到100mA变化。

图2　TL431的功能模块示意图

　图3 PC817内部框图

在开关电源设计中，一般输出经过TL431（可控分流基准）反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。

（3）PC817（见图3）

PC817是一个比较常用的光电耦合器，内部结构如图所示，其中脚1为阳极，脚2为阴极，脚3为发射极，脚4为集电极。在开关电源中，当电流流过光二极管时，二极管发光感应三极管，对输出进行精确的调整，从而控制UC3842的工作。同时PC817光电耦合器不但可起到反馈作用还可以起到隔离作用。

5　实际设计中的一些技巧

（1）电路焊接完成初次调试时，空载稳压输出10V可以实现，但是带负载时电路没有输出。

经过检测辅助绕组边为UCB3845芯片供电回路的稳压二极管两端的电压为7.9V，未达到供电的8.5V，尝试修改Ra1的阻值使电压达到，但是都没有太大变化。于是需要修改变压器辅助绕组的匝数，由之前的5匝改为7匝，测试后烧坏了稳压管，于是将匝数调整成6匝，最后是二极管两侧电压为稳定的11.4V，实现了带负载时的稳压输出。

（2）过流保护时采样电阻的选取，电阻大时限流值大，带1A负载时压降小；反之限流值小，压降大，合适值很难选取。

稳压时芯片3管脚采用了104的电容，电流达到2A时仍没有过流保护。于是选用了471的电容，但是在未达到1A时压降就产生而且在1A时很大，限流值也无法满足要求。所以又选用了电容较大的472，采样电阻在1到5Ω变化时电压均可以稳住但无法限流，又将电阻改为12Ω时限流产生但压降过大，后来有逐步减小电阻，最后测量6.7Ω时压降为2V左右，限流值达到1.6A，但是未精确达到要求。

6　总结

在石油工业中，智能化是一个发展趋势，各种各样的电器都离不开电源。作为电源的一种主要形式，反激式开关电源在日常生活中有着广泛的应用，从便于使用的角度，掌握其工作原理、吸收电路、参数技术，具有一定的必要性。

［1］宋斌斌，王惠铎，张挺.先进电力电子技术在智能电网中的应用研究［J］.电子技术与软件工程，2015（21）.

［2］张莉.先进电力电子技术在智能电网中的应用研究［J］.吉林省教育学院学报（中旬），2015（09）.

姚晓兵（1974-），男，陕西扶风人，大学本科，北京环鼎科技有限责任公司工程师，研究方向：测井仪器。