正激式开关电源设计

昨天收到两个小伙伴留言，需要正激式开关电源的设计，那我们就来简单讲一下正激式开关电源。

正激式开关电源和反激式电源最明显的区别就是变压器，在反激式开关电源中，我们指导变压器主要起的作用就是储存能量，类似于一个电感；而在正激式开关电源中，变压器起的是传输能量的作用，当然反激式和正激式的重要区别是使用的场合，反激式一般我们使用在 20~100W 的小功率开关电源线路中；而正激式开关电源我们可以使用于 50~250W 的低压。大电流开关电源。

设计一个正激式开关电源，就像我们之前说的研发首先提出需求，然后根据具体情况来进行设计，那我们就以一款简单的 5.5V/20A 的来作为例子说明一下正激式开关电源的设计流程和各个参数的计算。

简易图纸如下图所示：

首先我们要明确电源的一些技术指标：输入电压：Vin=220V；电压变化范围：106~235V；输入频率：f=50Hz；输出电压：Uo=5.5V；满载电流：Io=20A；输出功率 Po=110W。

我们由工作的频率可以计算出电源的周期 T=1/f=5uS;对于正激式开关电源，我们一般占空比的范围为 40%~45%之间，那我们就选择 45%来计算，可以得到最大导通时间 Ton(max)=5*0.45=2.25uS。

接着我们要计算变压器的二次绕组输出电压和匝数比，从上图的简易图我们可以看出在开关管导通时，变压器二次绕组电压 U2 等于输出电压 Uo 加上电感消耗电压 UL 再加上二极管 VD1 消耗的电压 UF，所以我们可以简单的将变压器二次绕组的输出最低电压写成：U2（min）=（Uo+UL+UF）*T/Ton=（5.5+0.3+0.5）*5/2.25=14V。

由于正激式变压器只起到传输能量的作用，所以我们可以认为一次绕组绕组 N1 和二次绕组 N2 的比值等于变压器的一次绕组电压 U1 和二次绕组 U2 的比值，可以写成 N=U1/U2；根据我们的上面的输出电压范围在 106V~235V 之间，我们可以得到 U1=200~350V；所以我们可以取 U1（min）=200V，所以 N=200/14=14.3。

由 N=U1（min）/U2（min）及 U2（min）=（Uo+UL+UF）*T/Ton 我们可以得到 N=U1（min）*D（max）/(Uo+UL+UF)；又因为变压器的一次绕组匝数 N1 和磁通密度之间存在以下关系：N1>=(U1(min)*Ton(max)*10000)/（Bm*S）；根据输出功率与磁芯尺寸之间的关系，我们选择 EI-28 磁芯；其有效横截面积 S=85 平方毫米；磁通密度在 100°C 下时 Bm=3000 高斯，但是因为我们设计的电源是正激式，属于单向激励，所以要预留磁复位的余量，所以我们取 Bm=2000 高斯。

将数据代入上式中，我们可以得到 N1=26.5,我们取 27 匝，根据 N2=N1/N 得到 N2=2 匝;。

再根据计算出来的匝数，我们可以得到准确占空比 D（max）=（Uo+UL+UF）*N/U1（min）=(5.5+0.5+0.3)*13.5/200=42.5%；也就是说变压器的一次绕组 N1=27，二次绕组 N2=2；电源最大占空比 D（max）=0.425；开关管最大导通时间 Ton(max)=2.1uS；二次绕组输最低电压 U2（min）=14.8V。

接下来就要计算输出电感 L1 电感量 L=[【U2（min）-（UF+Uo）】*Ton（max）]/IL；因为输出电流 Io=20A；一般我们选择的流过电感的电流 IL 为输出电流 Io 的 10%~30%；我们取中间值 20%，那么流过电感的电流 IL=0.2*20=4A；将 4A 代入上式，可以算出电感量 L=（14.8-0.5-5.5）*2.1/4=4.6uH。