ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥＦＯＲＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ№３， ２００５Ｍａｙ １０， ２００５
研究开发
单端反激１０ＷＤＣ／ ＤＣ模块电源的设计
张顺彪，邵志和
（ 株洲电力机车研究所技术中心，湖南株洲
４１２００１）
作者简介：张顺彪（１９６３－），男，高级工程师，主要从事开关电源的研究开发。
摘要：介绍１２Ｖ输入、１５ Ｖ／０．６７ Ａ输出的ＤＣ／ＤＣ模块电源的原理、设计。该电源主电路采用
了反激电路，控制电路采用了电流型集成控制芯片ＵＣＣ２８０３。测试表明，本电源具有良好的性能。
关键词： ＤＣ／ＤＣ；模块电源；反激电路；电流型；开关电源
中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１２８Ｘ（２００５）０３－００２３－０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ １０Ｗ ｓｉｎｇｌｅ ｅｎｄ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ＤＣ／ＤＣ ｍｏｄｕｌｅＺＨＡＮＧ Ｓｈｕｎ－ｂｉａｏ， ＳＨＡＯ Ｚｈｉ－ｈｅ（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， ＣＳＲ， Ｚｈｕｚｈｏｕ， Ｈｕｎａｎ ４１２００１， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ＤＣ／ＤＣ ｍｏｄｕｌｅ ｗｉｔｈ １２Ｖ ｉｎｐｕｔ， １５Ｖ／０．６７Ａ ｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅ ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ－ｔｙｐｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ ＵＣＣ２８０３ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ． Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＤＣ／ＤＣ；ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ｍｏｄｕｌｅ； ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ； ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｙｐｅ； ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ
０引言
近年来，开关电源技术发展非常迅速。由于开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点，它在各种各样的电子设备中得到了广泛应用。采用表面贴装的模块电源体积更小，更适用于分散供电控制的电路。
具体参数要求如下：
输入直流电压输出直流电压输出电流纹波电压外形尺寸
１２Ｖ （９～１８Ｖ）（１±１％） ×１５ Ｖ
０～０．６７Ａ≤１２０ｍＶ
４５ｍｍ×３５ｍｍ×１０．７ｍｍ
（实体４５ｍｍ×３５ｍｍ×６．６ｍｍ）
１设计要求
新设计的这个开关电源的功率为１０Ｗ，要求的设计尺寸很小。考虑１０Ｗ的功率以及小体积的因素，电路选用单端反激电路。单端反激电路的特点是：电路简单，设计体积小巧且成本低。单端反激电路由输入滤波电路、脉宽调制电路（由芯片ＵＣＣ２８０３及周围元件组成，频率为３００Ｈｚ）、功率传递电路（由开关管和变压器组成）、输出整流滤波电路、误差检测电路（由芯片ＴＬ４３１及周围元件组成）及信号传递电路（由隔离光耦及电阻组成）等组成。本电源设计成表面贴装的模块电源，其
收稿日期：２００５－０３－０８
２反激式电流型控制原理
反激式电路的基本原理是电源中的开关管为单管，
当开关管开通时，变压器一次侧电感线圈储存能量，与
变压器二次侧相连的整流二极管处于反偏压状态，整流二极管截止，在变压器二次侧无电流流过，即没有能量传递给负载；当开关管关断时，变压器二次侧电感线圈中的电压极性反转，整流二极管导通，给输出电容充电并向负载提供能量。
电流控制型是指在电压反馈的大闭环中，引入电流反馈的小闭环信号参与系统的动态调节，从而形成
—２３—
机车电传动 ２００５年
双环控制。电流控制型电源的最大特点是：在输入电压
和负载电流变化时，具有更快的动态响应速度，自动限制负载电流，补偿电路简单。
反激电路适用于小功率开关电源，其原理如图１所示。电路中的理想化工作波形如图２所示。
制器。ＵＣＣ２８０３的内部原理图如图３所示，其主要功能和
特点如下：
（１） ＵＣＣ２８０３采用精度为±１．５％的电压基准源（８脚），基准电压为４．００Ｖ，具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级，能提供０～１０ｍＡ的电流，可以作为电路中电压和电流的给定基准。
（２） 振荡器振荡频率由ＲＥＦ（８脚）对ＲＣ（４脚）所接的电阻Ｒｔ和ＲＣ脚对地所接的电容Ｃｔ决定，而外界电容同时还决定死区时间的大小。开关频率、死区时间同Ｒｔ、Ｃｔ的关系如下：
1
…………………………………… （１）fs=
Rt⋅Ct ｔｄ＝１２５Ｃｔ …………………………………………（２）式中： ｆｓ——时钟频率，ｋＨｚ；
ｔｄ——死区时间，μｓ ；
Ｒｔ——外接电阻值，ｋΩ；
Ｃｔ——外接电容值，μＦ。其中Ｒｔ值为１０ ￣２００ｋΩ，Ｃｔ值为１００ ￣１０００ｐＦ。
（３） 驱动简单。驱动电路为图腾柱结构的跟随电路，输出峰值电流可达１．０Ａ，可以直接驱动主电路的开关ＭＯＳＦＥＴ器件。
（４） 过、欠电压保护电路（图３中的Ｖｃｃ 正常部分）对集成控制器的电源实施监控。当电路初给电，电源电压小于启动电压（典型值约为４．１Ｖ）时，欠电压保护电路
图１反激电路的原理图
图２反激电路的工作波形
开关电源以主开关管周期性地开通和关断为主要特
征，主开关管的状态受控制电路控制。设在每个周期开始时时钟使锁存器复位，则开关管导通，开关管的电流由初始值线性增加，此时变压器一次侧电感储能不断增加。电流检测电阻上的电压Ｖｓ线性增大，当Ｖｓ增大到Ｖｅ时，比较器翻转，锁存器输出为低电平，开关管关断。开关管关断期间，变压器中储存的能量通过整流二极管Ｖ１向负载供电，直到下一个时钟脉冲的到来，开始新的周期。
封锁ＰＷＭ信号的输出；只有当电源电压大于启动电压
后，经过一次软启动过程，ＵＣＣ２８０３的内部电路才开始工作，输出端才有ＰＷＭ信号输出。在工作过程中，如果电源电压跌落至保护阈值（典型值为３．６Ｖ）以下，为避免输出混乱的脉冲信号，输出ＰＷＭ信号被封锁。只有当电源电压再次大于启动电压后，再经过一次软启动过程，ＵＣＣ２８０３才重新开始工作，恢复ＰＷＭ信号输出。芯片中的１３．５Ｖ的稳压管会自动限制加在芯片供电脚上的电压。
３ＵＣＣ２８０３ 芯片介绍４电路设计
本模块电源中采用的控制芯片是美国ＴＩ公司生产ＵＣＣ２８０３，它是采用峰值电流模式控制的集成ＰＷＭ控
图３
—２４—
ＵＣＣ２８０３的内部电路图
本模块电源的电路原理图如图４所示。电源主电路
为反激电路，电容Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及电感Ｌ１组成输入π型滤
波电路，电阻Ｒ１、电容Ｃ４组成芯片的启动电路。电源上电时，直流输入电压通过电阻Ｒ１给电容Ｃ４充电，当Ｃ４上的电压达到４．１Ｖ时，脉宽调制器Ｎ１开始向开关管Ｖ１８发脉冲。二极管Ｖ１、电容Ｃ４组成芯片的反馈供电电路，电阻Ｒ１５、电容Ｃ１６组成开关管的ＲＣ吸收电路，二极管Ｖ２、Ｖ３、电容Ｃ９￣Ｃ１２组成输出整流滤波电路。
电源基准Ｄ１（ＴＬ４３１）及周围元器件组成输出电压的误差检测电路。它将输出的１５Ｖ误差信号放大，并送到起隔离
第３期 张顺彪，邵志和： 单端反激１０Ｗ ＤＣ／ＤＣ模块电源的设计
作用的光耦ＶＰ１的发光侧；电容Ｃ１３、Ｃ１４起稳定系统的作用。脉宽调制器Ｎ１（ＵＣＣ２８０３）及周围元器
件组成３００ｋＨｚ的ＰＷＭ脉宽调制电路，其中的运算放大器的反相输入端２脚将光耦送来的误差信号放大，并控制输出脉冲宽度的大小。当输出电压偏高时，电阻Ｒ１３、Ｒ１４分得的电压偏高，电源基准Ｄ１输出电压下降，光耦ＶＰ１的发光侧电流加大，其ＣＥ侧电压降低，脉宽调制器Ｎ１的２脚电压上升，脉宽调制器Ｎ１自动减小输出脉冲的宽度。这样变压器一次侧储能减小，输出能量减小，最终使输出电压降低。反之亦然。４．１下：Vout
RR
=(1+13)×Vref1+Iref1×R13≈(1+13)×Vref1=15V
R14R14
Ｖｒｅｆ１＝２．５Ｖ
误差检测环节设计
误差检测由分压电阻Ｒ１３、Ｒ１４完成，参数值计算如
图４模块电源电路图
选取Ｋ＝０．６，
变压器效率η＝０．９５。
（３） 计算开关管峰值电流Ｉ１ｐ及最小值电流Ｉ１ｂ变压器二次侧电压Ｕ２＝Ｕｏｕｔ＋Ｕｆ＝１５＋０．５＝１５．５Ｖ变压器输出功率Ｐ２＝Ｕ２×Ｉｏｕｔ＝１５．５×０．６７＝１０．３８５Ｗ2×P2×T2×10.385×3.333
==2.88A
(1+K)×U1×Ton(1+0.6)×9×1.667
Ｉ１ｂ＝Ｋ×Ｉ１ｐ＝０．６×２．８８＝１．７２８ ＡI1p=
（４） 变压器变比Ｎ１２
U2×(T−Ton)15.5
==1.7229Uin×Ton
（５）变压器一次侧电感Ｌ１N12=L1=
Uin×Ton9×1.667
==13μH
(1−K)×I1p(1−0.6)×2.88
取 Ｒ１４＝２．４３ｋΩ，Ｒ１３＝１２．１５ｋΩ４．２振荡频率设计
设计要求的工作频率为３００ｋＨｚ。振荡频率由电阻Ｒ３及电容Ｃ６决定，取Ｃ６＝１００ ｐＦ，按式（１），则有
R3=
11
==33.3kΩC6⋅fs100×10−12×300×103
满足１０￣２００ｋΩ的要求。４．３电流限制环节设计
芯片ＵＣＣ２８０３的ＣＳ脚过流电压为１．０Ｖ，该脚电压由２部分叠加获得：一路由４ Ｖ基准经电阻Ｒ５、Ｒ７分压获得（电流检测电阻Ｒ８的阻值很小而忽略） ；另一路由电流检测电压（电阻Ｒ８上的电压）经电阻Ｒ７、Ｒ５分压获得。据此可以计算出电流检测电阻Ｒ８的阻值。
R7R7
(1.2I1p)R8=1.0VVref+
R5+R7R5+R7
0.9110×4+×1.2×2.88R8=1.0V
10+0.9110+0.91Ｒ８＝０．２１Ω
（６） 变压器一次侧匝数Ｎ１、二次侧匝数Ｎ２及辅助绕组匝数Ｎｂ
N2=
N12×∆I×L11.722×(2.88−1.728)×13
=11.9匝=
9.39×0.23Ae×∆B
取Ｎ２＝１２ 匝N1=
其中Ｉ１ｐ＝２．８８Ａ，见下面的计算。４．４变压器设计
变压器的设计计算是整个电源设计的关键，它的设计好坏直接影响电源性能。
（１）已知要求输入电压Ｕｉｎ ９￣１８Ｖ输出电压Ｕｏｕｔ１５Ｖ输出电流Ｉｏｕｔ０．６７Ａ（２）选定条件磁芯选用ＥＰＣ１０，Ａｅ＝９．３９ｍｍ２ ， Ｂｅ＝０．４７ ｍＴ ， ΔＢ取０．２３ｍＴ，工作频率为３００ｋＨｚ，Ｔ＝３．３３３μｓ 。选取δｍａｘ＝０．５，故 Ｔｏｎ＝１．６６７μｓ 。
12N2
匝==6.97
N121.722 取Ｎ１＝７ 匝
U12Nb=b×N2=×12=9.3匝
U215.5取Ｎｂ＝９ 匝（７）变压器一次侧、二次侧电流计算
一次侧电流有效值
1
Ton22
I1rms=[(I1p+I1p×I1b+I1b)]2
3×T
1
1.66722
=[(2.88+2.88×1.728+1.728)]2=1.65A3×3.333I2p+I2b2Ｉ２ｂ＝ＫＩ２ｐ
Ｉ２ｐ＝１．６７５Ａ
×1
=Io2
—２５—
机车电传动 ２００５年
Ｉ２ｂ＝１．０Ａ
二次侧电流有效值1
IToff22
2rms=[3×T
(I2p+I2p×I2b+I2b)]2
=[1.6671
3×3.333(1.6572+1.657×1.0+1.02
)]2=1.0A（８）变压器绕组线径计算
模块电源变压器的设计关键在于电流密度的取值。一般开关电源电流密度的取值范围在３～５ Ａ／ｍｍ２之间，其取值随变压器体积的减小而增大。在本模块电源中电流密度Ｊ取１５Ａ／ｍｍ２。
一次侧绕组截面积
AI1rms=1.651==0.11mm2
J15
一次侧绕组线径（６线并绕时）
D×A11=26×π=0.15mm
取值为：６根０．１５的漆包线并绕。二次侧绕组截面积
AI2rms2=J=1.0
15=0.067mm2二次侧绕组线径（３线并绕时）D=2×A223×π=0.168mm
取值为：３根０．１５的漆包线并绕。（９）变压器绕组的绕制结构变压器绕制结构的好坏，会直接影响电源输出的纹波的大小。在本模块电源中将一次侧绕组分两半绕制：首先将一次侧绕组三线并绕于第１层上；二次侧绕组三线并绕于第２、第３层上；再将一次侧绕组三线并绕于第４层上，两次绕制的一次侧绕组要并联起来；最后将辅助供电绕组单线绕于第５层上。
图５
负载电流为０．６７Ａ时开关管的漏极－源极的电压波形
—２６—
４．５试验波形
图５是负载为０．６７ Ａ时开关管的漏极－源极的电压波形；图６是负载为０．６７ Ａ时开关管的电流波形；图７是负载为０．６７ Ａ时输出电压波形。
图６负载电流为０．６７Ａ时开关管的电流波形
图７负载电流为０．６７Ａ时输出电压纹波波形
５结论
本文所设计的开关电源在负载的全范围内变化时，能够保持良好的性能。从试验波形可以看到，本模块电源的开关频率为３１５ｋＨｚ，电源的输出纹波峰峰电压值为１００ｍＶ，各项指标满足设计要求。
参考文献：
］赵效敏．开关电源的设计与运用［Ｍ］．上海：上海科学普及
出版社，１９９４．
［１
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