摘 要： 介绍了IRIS4007芯片的结构，分析了其基本的工作原理，给出了开关电源" title="开关电源">开关电源" title="单片开关电源" title="单片开关电源">单片开关电源">单片开关电源的实用电路及主要单元电路的设计方法。对电路进行了实验测试，验证了该单片开关电源的稳定性和可靠性。
    关键词： IRIS4007  单片开关电源  反激式  零电压关断

    随着大规模集成电路的发展，电源模块的小型化已成为主要研究课题。电源模块小型化的实现主要从提高开关频率和采用新的电路拓扑结构两个方面考虑。本文采用国际整流器（International Rectifier）公司的IRIS4007芯片实现频率为180kHz的单片开关电源的设计。
1 IRIS4007芯片简介
    IRIS4007是智能开关电源集成芯片。该芯片内部集成了过流保护电路、过压保护电路、热关闭电路，并且把高压场效应管MOSFET和PWM控制电路集成在一起，图1为IRIS4007内部结构原理图。V_CC为IRIS4007电源供电脚；OCP/FB为反馈脚，通过该引脚实现主电流控制和二次端电压控制。IRIS4007芯片有两种工作模式：准谐振模式（QR）和脉冲比率控制模式（PRC）。当反馈端的电压在比较器" title="比较器">比较器1的门限电压V_th(1)=0.73V和比较器2的门限电压V_th(2)=1.45V（MAX：6.0V）之间时，内部比较器1将使芯片工作在固定的T_off=50μs的PRC模式下，因此在PRC模式下开关电源的频率在20kHz以下。当反馈端的电压高于比较器2的门限电压时，将使芯片转换到QR模式下工作。在QR模式下工作时，通过外部的延迟电路可以在谐振电压波形的谷点关断场效应管，从而实现零电压关断，降低高频损耗。因此选择IRIS4007芯片设计电路，并使其工作在QR模式下，这样既有利于开关电源的小型化，又有助于降低开关电源的高频损耗。

                            
2 电源电路的工作原理
    本文设计的单片开关电源参数为：直流输入电压为27V, 输出为800V/4mA, 效率G=70%,频率f=180kHz。其电路图如图2所示，输入电压为直流，只用了由L1、C1、C4构成的输入滤波电路" title="滤波电路">滤波电路。如果是交流供电，还需要有整流电路。由于单片电源的输入电压为直流27V，因此可以通过电阻R4和电容C6（滤波电容）为IRIS4007提供偏置电压，R4的值要根据IRIS4007的工作电流和电压确定。R2、D3、C8构成延迟电路，延迟电路用来把准谐振信号从辅助绕组反馈到FB（反馈）引脚，从而实现零电压关断，降低高频损耗以减小开关损耗，同时它也为IRIS4007(k)的内部锁定电路提供1.35mA的维持电流。R7、R8、C8构成电流传感电路，R7是主初级电流传感电阻。R8和C8滤掉了开关管上的电流冲击，电流冲击是谐振电容C7 的存储电荷和变压器的绕组间电容产生的。D2、C5构成反馈输出整流滤波电路，为光耦供电。Opto1、R1、R3、2DW232、R5为电压控制回路，D1、C2、L2、C3构成输出整流滤波电路。

                            
3 主要元器件的设计
3.1电源变压器的设计
3.1.1 电源变压器磁芯" title="磁芯">磁芯的选取
    为满足开关电源提高效率、减小尺寸和重量的要求，需要一种具有高磁通密度、高频低损耗的变压器磁芯。本设计中选用TDK公司PC44材料的磁芯。按照输出电压V_o=800V、输出电流I=4mA，以及高频变压器的余量为6%的要求，则输出功率P_o=800×0.004×1.06=3.392W，可选取EPC13的磁芯，该磁芯的有效截面积A_e=0.125m²。
3.1.2 变压器线圈匝数的计算
    初级绕组匝数由下式决定：
   

式中,V为施加在绕阻上的电压幅值,V=27V;B为工作磁通密度,取B=2000GS; A_e为磁芯面积, A_e=0.125m²; f为开关频率, f=180000Hz。将数据代入上式可得：
    N_P=15匝
    次级绕组匝数可由下式确定：
    
式中，V_o为输出电压,V_o=800V;V_D为整流二极管的导通压降，取V_D=3V;V_min=27V;Dm为脉冲信号的最大占空比，此处选D_m=0.5。将数据代入上式可得：
    N_S≈446匝
    反馈绕阻为光耦提供供电电压，取反馈绕组输出电压为V_B=13V，V=27V,则反馈绕阻匝数由下式确定：
      

    将数据代入可得：
    N_B≈9匝
    经反复实践，取N_P=20匝、N_S=400匝、N_B=10匝时，电源效率较高。
3.2 主初级传感电阻R7值的选择
    R₇的计算：
   

    式中，I_p为初级峰值电流,峰值电流可由下式计算:
   
式中，I_av为初级均值电流，D_m为最大占空比。均值电流可由下式求出：
       

式中,P_o为输出功率，η为所能达到的估计效率，V_min为最小输入电压。
3.3 反馈稳压回路的设计
   由于主控芯片IRIS4007为电流控制芯片，本设计中选用线性光耦PC817A完成电流的反馈，其隔离电压为5 000V，传输率CTR=80%～160%。电路中的电压控制使用稳压二极管2DW232，输出电压的稳定是通过反馈电流的变化（即负载电流的变化）来改变IRIS4007内部PWM波占空比实现的。由于负载电流较小，为减小R3、R5支路的分流，R3+R5的阻值要远大于负载阻抗。
3.4 输出整流滤波电路的设计
     输出整流二极管要选择开关特性好、反向恢复时间短、耐压高的快恢复二极管；电容的选取不仅要考虑其电容值，还要考虑其耐压值要高，本设计中电容选用TDK公司的高压贴片电容(型号为C4532X7R3A103KT)，有利于减小电路板尺寸。
4 电源工作状态测试结果及结论
    根据上述设计原则, 使用IRIS4007设计了单端反激式开关电源, 所设计的高压电路板的尺寸为2.3cm×3.1cm。对所研制的电源进行了测试，图3～图5 给出了电路正常工作时的实测波形。

                 
    该开关电源已作为激光陀螺的电源获得了应用，在实际工作中，性能稳定、可靠性高、抗干扰能力强。
参考文献
[1]  IRIS4007 data sheet. International Rectifier， 2001.
[2]  叶慧贞，杨兴洲. 新颖开关稳压电源[M].北京：国防工业出版社，1999.
[3]  沙占友.新型单片开关电源设计与应用技术[M].北京：电子工业出版社，2005.
[4]  张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M]. 北京：电子工业出版社，1998.
[5]  Using the IRIS40xx series integrated switchers. International Rectifier, 2001.
[6]  Design a Power Supply Using the IRIS40xx Series. International Rectifier, 2001.