摘  要： 飞兆半导体FSD系列绿色元件实现的反激式开关电源具有电路简单、外围元件少、总体积小、效率及可靠性高等优点。给出了变压器及RCD电路的设计分析，最后根据示波器测试结果对电路的性能进行了验证。

关键词： 反激式开关电源；变压器；RCD

    开关电源是一种电能转换的表现形式，随着集成电路的不断发展，开关电源越来越趋向于高频化、模块化、绿色化和数字化[1]。本文主要介绍由飞兆半导体公司研发的FSD系列绿色器件实现的反激式开关电源的设计，该设计的目的是将其应用于UPS电源中的供电和充电环节，以实现应急通信的后备电源。
1 开关电源的工作原理
    FSDx321系列器件是飞兆半导体公司专用的开关电源器件，它具有高度集成的特性，将开关管与PWM控制器集成到一个芯片里，减少了外部元器件的使用。它的内部集成了脉冲宽度调节器、抗恶劣环境FET、高压电源开关稳压器[2]。相较于分立的MOSFET、控制器或RCC开关转换器，FSDx321减少了总元件数量，缩小了设计尺寸，减小了重量，同时提高了效率、生产力和系统的可靠性[3]。由它实现的开关电源的原理如图1所示。

     开关电源采用反激式拓扑结构，核心芯片是飞兆半导体的FSDH321。该部分电路的作用是将220 V的交流电转换为15 V的直流电。接通交流电源后，220 V的交流高压经过共模电感滤除高频共模噪声，通过安规电容来抑制信号传输的EMI干扰，经过桥式整流、大电容滤波产生一个约308 V的直流高压，再通过限流电阻加到芯片的管脚。电路上电后，与VSTR连接的芯片内部开关闭合对与VCC管脚连接的外部电容充电，当电压达到阈值电压12 V时，内部开关断开。电路进入稳定工作后，由变压器的辅助绕组提供VCC的工作电压，C11、C9、C19是滤波电容。FSDx321内置的MOSFET在闭合期间，电流在功率变压器的初级绕组内流动，并将电能转换为磁能储存在变压器的初级线圈里[4]。当MOSFET断开时，由于变压器绕组内的电流不能突变，此时通过刺激的整流二极管D6将能量传递到次级电路[5]。在MOSFET关闭期间，由于变压器漏感产生感应电压加在开关管的漏极上，若电压过高可能损坏管子，因此在输入直流高压与MOSFET之间设计了能够吸收电压尖峰的RCD吸收缓冲电路。电路的输出电流可通过与IPK连接的外部电阻来调节。当IPK悬空时，电路具有最大输出电流700 mA。采样电阻R10通过将采样电流转变成电压信号与TL431组成的基准电压进行比较来控制JC817的内部发光二极管的发光强度，内部的光敏三极管接收到不同的发光强度后反馈给芯片的VFB端来调节电路正常工作的占空比。图1中的C22、C14、C15、C23、C16、C17是输出滤波电容[6]，由于输出的滤波电容具有滤除纹波的作用，如果电容的ESR过高，将会产生较大的等效能量，这个能量在电容上会产生热量，长时间的积累将会损坏电容，故将C22和C23设计为高频低阻系列。
2 开关电源参数的设计
2.1 变压器的设计
    反激式电源变换器设计的关键因素之一是变压器的设计。此处的变压器不是真正意义上的变压器，而是一个由磁芯和线圈构成的能量存储装置。在变压器初级导通期间，能量存储在磁芯的气隙中，关断期间存储的能量被传送给输出。初、次级的电流不是同时流动的，因此它更多地被认为是一个带有次级绕组的电感[7]。变压器设计应遵循在最坏的情况下也能稳定工作的原则，也就是开关电源处于最低电压最大负载情况下能够稳定工作，此时变压器一次侧的电感量为：

    变压器设计为一个反复验证的过程，初步计算完成后，应通过最大磁感应强度和趋肤效应的大小来验证其合理性，如果不合适应重新设计以满足要求。
2.2 整流二极管和滤波电容的选择
    在开关电源中，整流二级管及滤波电容的选择应根据电路的最大感应电压和电流的有效值，在选取时要使器件留有足够的裕量[9]。通常取二极管的反向电压大于2倍的直流输出电压，正向电流大于1.5倍的直流输出电流。滤波电容的选择主要考虑电源通过时的纹波电压大小及耐压值是否足够大，综合考虑应选取高频低阻系列。
2.3 RCD钳位吸收电路
    RCD吸收电路具有结构简单、成本低廉的特点，所以在以集成电路为核心的开关电源里应用广泛。但是由于RCD电路的钳位电压会随着负载的变化而变化，如果参数设计不合理，会影响开关电源的效率。它的原理图如图2所示。

3 实验结果及设计总结
    通过最终产品的运行证明该设计能满足需要的各项功能。开关电源工作在100 kHz的输出电压是15 V，纹波电压控制在1%左右。输出电流是0～700 mA，电源在115 VAC～245 VAC输入的范围内工作效率大于80%。电源小板的大小只有80 mm×45 mm。图3和图4是用示波器所测的开关电源的直流输出及纹波电压波形。

    由图可知，实际测量值满足要求，与计算吻合。通过图1可以看出，使用FSD系列电源芯片的外围元件较少，由于电源芯片内部的电路设计和软启动技术使得电路的EMI较小，满足电路对传导EMI的要求，且安规方面也满足3C认证的要求。该电源的设计简单易行，成本较低，适合于需要相同规格的开关电源系统，且飞兆的FSD集成电源芯片使得整个设计时间较少，电路简单，在成本上具有很大优势。
参考文献
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