一种高可靠性准谐振反激式开关电源的设计

摘要：介绍了一种高可靠性准谐振反激式开关电源。分析了准谐振反激式开关电源和电源冗余的工作原理及实现方式。通过实验分析，验证了理论分析的准确性，提高了电源可靠性。证明该电源降低了开关损耗，具有较高的电源效率；表明了两路冗余电源具有较好的均流效果。
关键词：准谐振；冗余；反激；开关电源

随着社会对能源效率和环保问题的关注度日益提高，人们对开关电源的效率期望越来越高，而减少开关损耗是提高效率的重要途径之一。采用准谐振技术控制开关管，使其在开关管两端电压最小时开通，可以很大程度地减少开关损耗，相比传统的反激式开关电源，最多可以提高5％以上效率；同时开通过程中因开关管承受的电压较低，产生的dv／dt也小，于是产生较小的EMI，有效的解决电磁干扰等问题。
另一方面，开关电源现已广泛应用于铁路的通信网络等系统中。电源除了要连续运行外，还要经受高低温、高湿、冲击等考验。这就要求电源设备必须有很高的可靠性。采用冗余结构是一种有效提高电源可靠性的方法。本论文通过采用准谐振控制芯片和两路冗余热备份结构，设计出一种高可靠性的准谐振反激式开关电源。

1 准谐振反激式开关电源的原理及实现方式
(1)准谐振反激式开关电源原理分析
准谐振反激式开关电源基本原理和等效原理图如图1、2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，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。传统的反激式开关电源主开关管可能Vds振荡波形任一点处开通，视负载情况而定。而准谐振反激式开关电源，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，波形图如图3所示。

在振荡阶段，Vds的值可以用如下的式子表示

其中n为原副边匝数，α为振荡的衰减系数，其表达式为：

可以看出如果有n(Vout+Vf)≥Vin，在T2时刻，主开关管的体二极管导通，此时控制主开关导通，主开关就能实现零电压开通。
如果n(Vout+Vf)≤Vin，尽管主开关无法实现零电压开通，但是让主开关在T2时刻导通仍然可以最大程度上减小主开关的开通损耗。[p]
(2)准谐振模式的实现
准谐振模式实现的具体电路如图4、5所示，辅助绕组电压检测信号与控制芯片的7脚相连。在开关关断期间，如果检测7脚电压偏低及处于振荡的波谷时，通过芯片内部三个比较器，使得芯片内部的QR_DONE信号由0变为1，从而影响芯片内部的振荡器，开启下一周期。

2 两路冗余均流电路工作原理和并联电路设计
(1)两路冗余均流电路工作原理
如图6所示，两路冗余电路中准谐振反激式开关电源与普通的反激式式开关电源相比，通过在反馈环路中加入比例环节的方式，使输出电压具有下垂特性，即输出电压随输出电流的增大而降低。如图7所示。只要保证两点：一是两支路输出电压的曲线与Y轴交点相等，即两支路的空载输出电压相等，二是两支路的输出电压下降斜率相等，则可以确保当两路冗余工作时，均分负载，达到均流的效果。具体的参数需要在试验中结合电源对输出电压的要求，不断调试来确定。

(2)两路并联电路设计
两路并联设计需要注意的是除了控制部分需要有均流电路以外，主电路的输出端最好还要串联一个二极管或者大电感，以防止输出电压较大的模块把输出电压较小的模块当成了一个负载。在传统的冗余方案中，每个支路的输出使用一个冗余二极管，二极管在导通时，它本身存在很大的正向电压，在正常工作时它产生的功率损耗相当大。基于此，本设计用一只MOSFET晶体管和一个集成电路芯片来取代二极管，控制芯片产生驱动MOSFET晶体管栅极的信号。如图6所示，两路电源输出后经MOSFET晶体管(Q3、Q4)并联后合并成一组输出。当其中一路电源故障时，控制芯片检测到MOSFET晶体管的反向压差，而停止驱动该路的MOSFET晶体管，使得该路电源与系统断开，由冗余电源继续供电，从而保证整个系统的正常工作。

3 结果验证
根据以上理论分析，设计完成了一种电源，该种电源的技术参数：输入电压：66～154 VDC；输出电压：5．0±0．5 VDC，输出电流：3 A(单路)，输出功率：15 W(单路)。主开关管选用FDP20N50，次级整流管选用SUP90N04，输出并联管选用SUP90N04，变压器原边匝数为55匝，原边电感为458μH，副边匝数6匝。
(1)单路准谐振模式和效率测试
图8、9为测试输入电压为110 V，满载、半载的工况下的主开关管的Vds、Vgs、VRESNE(原边电流检测电阻上的电压)波形图。可以看出电源工作在准谐振模式，主开关管均是在Vds振荡的谷底开通。当负载不同时，通过调整开关频率来实现准谐振模式，满载时，主开关管在Vds振荡的第一个谷底开通；而在半载时，主开关管在Vds振荡的第二个谷底开通。

[p]
图10为Vin=110 V，单路电源在不同负载条件下的效率曲线图，从图可以看出，单路电源的效率在加载后迅速增大，最大效率发生在满载时，达86．1％。

(2)两路冗余均流测试
因实验条件限制，无法用电流探头测试两路冗余时单路电源的输出电流波形。需首先分别测试了单路电源的输出电压特性，然后通过对输出电压特性的分析来判断两路冗余时，两支路电源的均流效果。

由图11可以近似得出对应不同输出电压下，两支路的输出电流曲线如图12所示。从图11可以看出，两支路的空载电压并不完全一致，输出电压特性也并不是一条斜率不变的直线。考虑到模拟器件本身存在的误差，不可能精准控制两路输出电压的特性完全一致，轻载时误差影响较大，重载时误差影响很小。从图11上也可以看出在轻载时，两支路的输出电压特性曲线有一些偏差；重载时输出电压特性曲线基本重合。

由图12可知，两路冗余输出在轻载条件下，两支路的输出电流均流效果较差，随着负载加大，在达到输出电流为3 A (对应支路输出电流均为1．5A)后，两支路的均流效果很好。

4 结束语
通过对该电源的测试表明，采用准谐振技术，降低了开关损耗，单路电源在输入电压为110V，满载(15W)输出条件下，效率达86．1％。同时设计的并联均流电路实现了输出电压的下降特性，获得了较好的均流效果，提高了电源的可靠性。