基于反激式微功率开关电源设计

摘 要：本文设计并实现了一种微功率开关电源，该电源具有5V、12V双路输出，整体输出功率为5W，其拓扑结构采用反激式（Flyback）。与传统开关电源设计不同，本设计主要采用一个集成了700V的MOSFET、振荡器、频率抖动、简单的开/关控制、电流保护等功能的开关电源控制芯片LNK364，从而大大简化了开关电源的电路，并且提高了可靠性，降低产品成本。本文将结合该思路对开关电源的设计进行详细阐述，并对设计进行了实验、结果分析。

关键词：开关电源；反激式；Flyback；LNK364

中图分类号：TM464 文献标识码：A

1 前言

开关电源的设计涉及到的知识方方面面，不仅涉及到模拟数字电路，半导体元件特性，电磁学知识，还需要考虑产品散热，安全要求、电兼容性能等。传统的设计需要人工来完成，其步骤繁琐，工作量大，效率低。传统控制电路的器件多，结构繁冗，一个环节出现问题，电源就无法正常工作，产品可靠性差。

为了解决上述问题，本文特别选择PowerIntegrations公司的一款反击式开关电源控制芯片LNK364。该器件在一个单片IC上集成了一个700 V的功率MOSFET、新颖的开/关控制状态机、一个自偏置的高压开关电流源、频率抖动、逐周期的电流限制及迟滞热关断电路，仅需要搭配少量阻容原件，即可和脉冲变压器配合实现基本开关电源的所有功能。并且其内部具有一个5.8V的自稳压电路，能够为芯片提供电源，并且提供一个1mA的输出，给反馈电路供电，从而省去了脉冲变压器的一个电源次级绕组，使得电源的设计电路更加简化。

2 整体结构设计

作为一款微功率的电源设计，首选的拓扑结构为反激式，其拓扑结构简单，设计适应范围广，是一般小功率电源的首选拓扑，选用LNK364作为控制芯片。电路设计如图1所示。

整个电路分为缓冲保护部分，EMC部分，整流滤波部分，PWM变送部分，整流输出部分和稳压反馈部分来进行设计。交流电源经过缓冲保护，EMC电路和整流滤波后转化成高电平直流信号，高电平直流信号经过PWM调制和脉冲变压器，转化成低电压交流脉冲信号，低电压交流脉冲信号经过整流输出部分转化成所需要的直流信号，直流信号上再接稳压反馈通过光耦将隔离后的开通/关断信号传输给开关电源控制芯片，从而完成输出端不同负载下的稳压功能。

3 硬件设计

3.1 缓冲保护电路设计

缓冲保护电路共包括两个原件RQ1和MOV1。其中RQ1为辅温度系数电度，其主要用于缓冲开关电源上电瞬间电容充电电流，对电容起到一个保护作用。MOV1位压敏电阻，用于防止雷击等情况发生时的差模干扰，当有差模高电压进来的时候，其与RQ1共同形成一个电阻稳压电路将差模高电压信号滤除。RQ1 选型为MT72-10D7，MOV1选型为14D471K。

3.2 EMC电路设计

EMC电路共有两个元件L1、C1，它们的主要作用为提高电源的电磁兼容性能。其中L1为环形共模电感，C1位X1型安规电容，L1和C1组合成为一个低通滤波电路，从而衰减外部差/共模高频干扰对电源性能的影响。L1选择5.6mH/1A的环形共模电感，C1 选择0.1uF/275V的X1行安规电容。

3.3 整流滤波电路设计

整流滤波电路主要是将交流电源转换成直流，其由DB1、L2-3、C2-3组成。其中DB1为整流桥，根据开关电源控制芯片特性，控制芯片过流保护阈值为250mA，所以此处设计容量为1A就能满足要求，因此整流桥额定电流等于1A，反向击穿电压大于400V（275V*1.414）即可，此处选型GBP08（2A、800V）。L2-3选型为1mH/1A工型电感，C2-3选型为6.8uF/450V电解电容。

3.4 PWM变送电路设计

PWM变送电路由主控芯片，脉冲变压器和续流电路三部分组成。其中主控芯片（LNK364）内部包含一个700V的MOSFET及其控制器。内部连接到漏极的高压电流源在启动阶段提供偏置电流，从而省去了外部启动电路。其内部集成的振荡器能够给输出MOSFET提供132kHz的输出脉冲。

此外，IC还集成了一些功能用于系统级的保护。自动重启动功能可以在过载、输出短路或开环条件下限制MOSFET、变压器及输出二极管中的功率耗散。自动恢复迟滞热关断功能还可以在温度超过安全限值时禁止MOSFET开关。芯片通过控制内部的开关管不断的开通关断，将上级输出的高压直流信号转化成132kHz的脉冲信号。当开关管开通的时候，脉冲变压器的初级内流动的电流增加，达到峰值Ip。当开关管关断的时候，反激电压使输出二极管进入导通状态，同时初级线圈存储的能量为1/2LI^2传递到次级，提供负载电流，同时给输出电容充电。通过电压反馈电路可以调节初级脉冲的占空比来调节Ip的大小，从而起到稳压输出的作用。

这其中关键在于脉冲变压器的选型，根据功率要求我们选择EE16磁芯，材料为PC47，初级绕组为87匝，5V次级6匝，12V绕组14匝。D1为续流二极管，在这里选择超快速二极管MUR160。R2为10K/1W，C4为102/1kV高频瓷片电容。D1、R2和C4共同组成了一个续流缓冲电路，防止开关管关断的时候变压器初级产生瞬间反向高压烧坏开关管。

3.5 整流输出电路设计

整流输出电路设计主要包括单向整流电路和滤波输出电路，单向整流主要是利用二极管的单向导通能力，当一次关断期间，次级整流二极管导通，将铁心中存储的磁能释放，再经过滤波输出电路输出稳定直流电压。二极管选用SF24超快速整流二极管。滤波输出电路由L4-5、C6-9组成，L4、L5为6.8uH磁棒电感。C6-7选用470uF/16V电解电容，C8-9选用220uF/35V电解电容。

3.6 稳压反馈电路设计

稳压反馈电路包括一个TL431，一个反馈光耦和一些阻容组成。是一个典型的稳压开关反馈电路，当输出电压达到5V的时候，U2导通，U1内的MOSFET关断，直到下一个开关周期的到来。U2选用PC817，R7=R9=10K，R6=150R，R8=1K，C=102。

结语

设计中采用了LNK364单片开关电源控制芯片，其内部集成的全部开关电源控制及保护功能，使得开关电源的集成度进一步提高，性价比增强，电路简化，可靠性增强，使得小成本、高要求、高可靠性电源更好地选择。

参考文献

[1] Power Integrations. LNK362-364 Datasheet[Z].

[2]安森美半导体.TL431 datasheet[Z].

[3]TI开关电源基础知识[Z].

[4]普利斯曼.开关电源设计（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2010.