基于FSDM0565R的反激式開關電源設計

　　引言
　　
　　目前，開關電源以其高性能，率（75%,現在單片集成開關電源效率早已達到90%以上），這對解決能源問題起到推波助瀾的作用，很多節能電器的電源供給早已被開關電源取代;本文介紹了一種基于開關電源芯片FSDM0565R的三相輸入、多輸出反激式開關穩壓電源。分析了FSDM0565R的特性和工作原理，并給出了它的設計電路圖、實際參數的計算及器件的選取，zui后給出了該電源模塊的實測波形及測試技術指標。實驗結果表明，利用該芯片設計的開關電源具有效率高、體積小、電路簡單、輸入電壓變化范圍寬、紋波小等特點。同時解決了工業現場三相輸入的問題，具有實際的推廣價值。
　　
　　1.FSDM0565R的主要性能特點和工作原理
　　
　　1.1性能特點
　　
　　FSDM0565R是Fairchild半導體生產的單片開關電源設計芯片，它由PWM控制器、振蕩器、熱關斷保護電路、故障保護電路及其他控制電路集成在一個單片器件內。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達到80%左右。具體性能如下：a、堅固的內部雪崩值SenseFET;b、先地的間歇工作模式（240VAC1W和0.5W時的消耗）;c、的固定工作頻率：66KHz;d、內部啟動電路、改進的電流限制、過電壓保護（OVP）、過載保護（OLP）、內部熱關斷功能（TSD）、異常過電流保護（AOCP）、自動重啟模式、欠壓鎖定（UVLO）等。
　　
　　1.2FSDM0565R的工作原理
　　
　　FSDM0565R主要包括以下幾部分：（1）啟動：在啟動時，內部的高電壓電流源提供了內部的偏壓，并為連接Vcc腳的外部的電容（CVCC）充電。當Vcc達到12V時，FPSTM開始開關動作，此時內部的高電壓電流源就消失。（2）反饋控制：開關電源的反饋控制有電壓控制和電流控制兩種方式，FSDM0565R采用電流反饋控制方式。由一個光耦（如H11A817A）和一個分壓調整器（如KA431）組成一個典型的反饋網絡。在此需要強調在電路紋波調試時可能會出現紋波不對的情況，這很可能是由于反饋回路有問題，這時檢查電路時需要測量反饋回路的波形對比光耦兩邊的頻率是否一致。本人在設計時就由于成本問題，選用了低成本的低速光耦（NEC2501-1），導致了輸出頻率不夠從而達不到設計指標。所以選用光耦時要根據開關電源的頻率來選。（3）保護電路：FSDM0565R內部集成了許多自我保護功能的電路，比如過載保護（OLP），過流保護（AOCP），過電壓保護（OVP）和過熱關斷（TSD）。具體指標詳見本芯片的技術手冊。（4）軟啟動：FSDM0565R內部集成了軟啟動電路，當電路啟動時，增加了PWM比較器的反向輸入電壓和FET的電流。通常的軟啟動時間是10毫秒，提供給開關管的脈寬寬度逐步增加，以給高頻變壓器、電感器、電容器提供正確的工作工況。輸出電容也在啟動時充電，延緩了電壓的突變，從而不會使變壓器工作在飽和狀態，也減少了對輸出變頻二極管的沖擊。（5）突發模式：FSDM0565R存在兩種模式，正常的66KHZ模式和突發模式。為了減少在待機時的損耗，FSDM0565R設有突發模式。當負載突然減少時，反饋電路的電流突然下降，這樣FSDM0565R就會進入突發模式。
　　
　　此時反饋電壓就會降到VBURL（500mV），這時開關管停止工作，輸出電壓依據待機負載開始下降到一定值。然后反饋電壓又會上升，它又會超過VBURH（700mV）的開關消耗，這兩種情況反復進行。
　　
　　2.模塊系統組成和參數設計
　　
　　圖1是用FSDM0565R芯片設計的反激式開關電源模塊，輸入電壓的范圍為85VAC~265VAC,輸出功率為45W,輸出直流電壓分三組：+5V（0.1A）、+12V（0.2A）、+13.8V（2A）。一個開關電源的設計主要是外圍電路的設計，分為：輸入整流濾波電路、高頻變壓器、鉗位保護電路、欠過壓保護電路、外部限流保護電路、輸出整流濾波電路以及反饋電路幾部分組成。如圖1所示。　　　　
　　2.1輸入電路設計
　　
　　輸入電路包括啟動電流電路保護、過電流保護、防雷設計、EMI濾波設計、整流橋和整流濾波設計。
　　
　　由于電容器在瞬態時可以看成是短路，當開關電源上電時，會產生非常大的沖擊電流，幅度要比穩態工作電流大很多（從幾十到幾百安培），如對沖擊電流不加以限制，不但會燒壞保險絲，燒毀插件，降低器件的工作壽命，還會由于共同輸入阻抗而干擾附近的電器設備。有效的防止方法有串連電阻法、熱敏電阻法、有源沖擊電流限制法等。本電路采用普遍的熱敏電阻法。在選用熱敏電阻的時候根據具體電路進行選擇，本設計采用NTC8D210.過電流電路保護初級電路zui高通過電流為2A.防雷采用4級設計，選用壓敏電阻681KD20.EMI濾波電路由電容、共模電感和電阻組成。整流橋采用全波整流電路，如圖1中HER208所示。由于三相全波整流的電壓有700多伏（實測702V），所以整流濾波電路采用CD11-400V-100μf±20%兩個電容串聯的方法。
　　
　　2.2輸出電路設計
　　
　　根據負載對輸出電壓紋波的要求，采用不同的輸出電路設計。如圖1中的5V1+、12V+、13.8V+和5V2+.因為變壓器為高頻變壓器，反射電流會很大，此時必需在輸出整流二極管處并聯阻容串聯電路，這樣即減少了輸出電壓的紋波，也延長了二極管的壽命。二極管采用恢復時間較短的如肖特基二極管，zui大反向恢復時間為50ns.輸出濾波電感選擇時，根據反激式開關電源輸出濾波電感計算公式選擇，考濾磁飽和問題，選用鐵氧體的磁棒。LM2596-5.0為DC-DC變換器，以提供5V2+的電壓。
　　
　　2.3反饋電路設計
　　
　　本設計的典型反饋電路如圖2所示：　　　　
　　本設計采用兩個光耦給成：E1為過電壓保護電路，E2組成電壓反饋電路，R14、R15組成采樣電阻。關于各電阻器阻值的確定如下。本電路反饋來自13.8V+,R14采樣電壓來自13.8V電感后側，而R12上端接在電感器前面。R14的確定：要確定R14首先要確定R15.R15的值不是任意取的，要考慮兩個因素：（1）TL431參考輸入端的電流，一般此電流為2uA左右，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R15的電流為參考段的100倍以上，所以此電阻要小于2.5V/200uA=12.5K.（2）待機功耗的要求，如有此要求，在滿足小于12.5K的情況下盡量取大值。在這取R15為可調的5K變阻器，再根據分壓定律算出R14取18K.
　　
　　TL431要求有1mA的工作電流，也就是在R11的電流接近于零時，也要保證TL431有1mA的電流，所以R12<=1.2V/1mA=1.2K即可。
　　
　　除此以外也是功耗方面的考慮。R11的取值要保證FSDM控制端取得所需要的電流，用H11817A時，其CTR=2-4,取低限2,要求流過光二極管能承受zui大電流=6/2=3mA,所以R11<=（14.4-2.5-1.2）/3=3.56K,光二極管能承受的zui大電流在50mA左右，TL431為100mA,所以我們取流過R11的zui大電流為50mA,R11>（14.4-2.5-1.2）/50=214歐姆。
　　
　　同時滿足以上兩個條件，在這里我們取1K.
　　
　　R13、C26形成一個在原點的極點，用于提升低頻增益，來壓制低頻（100Hz）紋波和提高輸出調整率，即靜態誤差，R13、C26形成一個零點，來提升相位，要放在帶寬頻率的前面來增加相位裕度，具體位置要看其余功率部分在設計帶寬處的相位是多少，R13、C26的頻率越低，其提升的相位越高，當然zui大只有90度，但其頻率很低時低頻增益也會減低，一般放在帶寬的1/5初，約提升相位78度。
　　
　　2.4高頻變壓器設計
　　
　　高頻變壓器作為開關電源的心臟，它的設計尤為重要，它將占用整個設計的大部分時間，設計過程請參閱文獻1中反激式開關電源磁性元件的設計。由于篇幅的限制，在這只提供本設計的變壓器，參數如下：
　　
　　（1）磁芯骨架：立式EC2828,12腳（腳距5mm,排距25mm）。
　　
　　（2）磁芯材料：EC2828,盱胎歐歌，AL=2710nH/N2（±25%）。
　　
　　（3）變壓器初級電感量（變壓器1腳和2腳之間）：LNp=0.5~1.0mH.
　　
　　（4）絕緣要求：Np、Nf對Ns1和Ns2耐壓3kVAC60S、1mA漏電流。
　　
　　（5）繞制順序及規格為：首先繞原編二分之一（φ0.3*2）、5V2（φ1）、12V（φ0.3）、5V1（φ0.3）、原編另外二分之一（φ0.3*2）、反饋繞組（φ0.3）。G隙寬：中心磁柱間距：0.373452mm.
　　
　　注意事項：每個繞組均勻繞在骨架中間，每繞完一個繞組包2mm厚的絕緣膠帶。
　　
　　3.樣板試驗測量結果
　　
　　3.1各電壓紋波測量結果
　　
　　開關電源紋波的測量基本要求為：使用示波器AC耦合，20MHZ帶寬限制，拔掉控頭的地線，以測到準確的波形，在本電源板中，對5V2+的要求比較嚴格，要嚴格控制它的紋波，以下測得當加2.5歐姆電阻（80%負載）時測得紋波為空載的兩倍，如下圖3所示。
　　
　　3.2電磁兼容實驗
　　
　　當檢測紋波通過時考慮到現場環境問題，還得分別做電磁兼容實驗和環境實驗，電磁兼容實驗包括：浪涌、快速脈沖群和靜電抗擾。在本次測試中開關電源主板裝入某一終端進行測試。差模打±2000V,共模打±4000V.具體方法參照國家電磁兼容性相關標準。
　　
　　4.結論
　　
　　反激式開關電源比起線性電源和其他類型的開關電源，具有紋波大的特點。但通過輔助電路可以減少它的輸出紋波。以FSDM0565R為核心設計的多輸入多輸出反激式開關電源，不但有體積小、效率高、性能穩定的特點，而且在電磁兼容和高溫測試中都表現出了很好的性能，取得了很好的性能，但本次設計和測試到投入生產經過了兩個月的時間，所以本人也在做一個開關電源的仿真，通過仿真和模塊化可以大大減少研發周期和成本。