高功率密度超薄开关电源设计*

于 广，李凤坤，田 华

(大连东软信息学院 智能与电子工程学院，辽宁 大连116023)

0 引言

随着电子仪器设备朝着小型化、高功率密度、高变换效率、高可靠性、绿色化方向发展，轻、薄、小成为衡量仪器设备的重要标志，故设计高功率、高性能的开关电源是电力电子技术研究的重要内容。磁性元件的体积和重量在开关电源中占据相当大的比例，占总体积和重量的百分之三四十， 降低开关电源中的磁性元件的体积，成为降低开关电源的体积和重量、提高其功率密度的一种方法[1]。 平面变压器因以PCB Trace 代替导线绕组实现变压器平面结构，可有效降低变压器厚度, 减小开关电源的体积和重量。

1 设计方案

1.1 样机规格

样机设计规格如下：

(1)输入电压：90 VAC～264 VAC

(2)输出电压：+19.5 V±5%

(3)输出功率：45 W

(4)输出电流：0～2.3 A

(5)样机尺寸：9 cm×5 cm×2 cm

1.2 设计方案

文中的高效率紧凑型开关电源，主电路采用反激(Flyback)拓扑实现DC/DC 变换，反激主电路工作在(CCM)电流连续模式。 主电路中变压器采用平面变压器设计方案，因PCB 结构可以显著减少变压器体积，还具有一致性好、低漏感、低损耗等优点，成为超薄开关电源的理想选择。 同时考虑高效率和高功率密度小体积的规格需求，控制电路中的主控制器选用100 kHz 开关频率的仙童半导体的集成绿色PWM 控制芯片SG6742，高开关频率能有效地降低开关电源的重量和体积， 同时100 kHz的开关频率又有益于解EMI 问题。

2 功率级电路主要参数设计

2.1 Bus 电容容值计算及设计

输入整流后的脉动直流需要电容进行滤波，设滤波后直流电的电压均值为100 V，最低值为73 V，则有式(1)：

式中：P0为输出功率；VinDC_min为整流滤波后直流电压最低值；Vacmin为输入最小交流电压值；η 为变换器转换效率；f 为交流电频率。 经计算可得，C=64 μF，为同时满足最大Vac=264 V 电压输入，整流后直流电压为375 V，所以文中选用Rubycon 的68 μF/400 V 电解电容做Bus 电容。

2.2 反激变换器变压器设计

反激拓扑结构相当于变压器隔离型Buck-Boost 变换器，在反激拓扑中，变压器除了实现电气隔离和电压匹配之外，还有储存能量的作用，前者是变压器的属性，后者是电感的属性，所以反激变换器相当于一个异步电感。 反激变压器在能量转换中发挥了重要作用，故反激变换器中的变压器的设计成为开关电源设计中最重要的一项。 同时，也正因在反激变换器中变压器相当于电感，所以反激变换器不同于正激变换器，其次级不一定要接输出滤波电感，从而使反激变换器的体积减少，成本降低[2]。 同时也正因此使得输入电压和负载变化时，反激变换器各输出端都能够很好地调整，从而反激变换器也适合多组输出的变换需求[3]。

2.2.1 反激变换器工作模式

反激变换器根据次级电流是否有降到零，反激可以分为断续工作模式(DCM)和连续工作模式(CCM)两种工作模式。 在相同的功率输出，连续工作模式在原副边都呈现较小的峰值电感电流，这样便可使用更低额定的原边MOSFET 和副边整流管[4]。 文中的开关电源设计工作在连续工作模式，电感电流纹波率Krp(电感电流波动值与最大电流值之比)为0.9，反激变换器工作在深度连续工作模式。

2.2.2 平面变压器参数设计

(1)PCB 平面变压器的优势

印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)型变压器，称高频PCB 平面变压器， 是近年来发展起来的一种新技术， 其 “绕组” 是利用印制电路板上的Trace 做导线绕组，可省去绕组骨架，使开关电源变压器的体积大为减小，特别是高度可得到有效降低，使超薄开关电源设计成为可能。PCB 平面变压器可有效减少在高频时由邻近效应和肌肤效应产生的涡流损耗，增强导电性能，增大电流密度， 有效提高变压器的转换效率和功率密度。同时因PCB 绕组的紧密耦合性，可有效减小漏感，同时因PCB 绕组的结构特性，具有寄生参数固定的优点，与传统变压器比较，其一致性更好控制[5]。

(2)变压器匝比的求取和绕组匝数的设计

依据电源设计规格要求，设在最小输入电压90 VAC时，整流输出电压平均值为100 V，最小电压为73 VDC，由输出电压19.7 V，最大占空比58%，根据式(2)，求变压器最大匝比：

式中，Dmax为最大占空比，Vest_Rec为副边整流二极管正向压降。

求得变压器最大匝比Nmax为5，可初步设变压器原边绕组Np=24 匝，副边绕组Ns=5 匝。

根据反激变换器输入输出电压关系，计算实际工作占空比D 为：

式中，VinDC_av为整流滤波后直流电压的平均值。

(3)反激变压器原边感量

依据输入输出功率守恒原则，设电感电流纹波率Krp=0.9，变压器转换效率为ηTrans=0.95,可依据下式求得[6]电感平均电流Iave-P和纹波电流Irpp_P。

式中，Pin为输入功率，Po为输出功率。

根据输入电压除以原边感量为电感电流上升的斜率，乘以导通时间为电感纹波电流，从而可以得出变压器原边感量Lp[7]：

式中，fs为开关频率。

2.2.3 平面变压器磁芯的选取

设计反激变压器(异步电感)与其他拓扑变压器有所不同，需要增加气隙，以此提高磁芯的能量储存能力。若反激变压器不开气隙，变压器存储很少的能量就将饱和，但若将气隙开得太大，又会增加变压器的绕组匝数，从而产生较大的绕组铜损，且会增大绕组所占的窗口面积，因此需计算选择合适的磁芯和气隙大小，让平面变压器窗口面积得到有效利用。 PCB 平面变压器可以采用下面的体积公式计算[8]：

计算得Ve=2 093×10-3cm3，文中电源选用EIR25/ACP40型磁芯，其磁芯参数如表1 所示。

为得到所需的感量，对磁芯气隙AirGap 计算设定：

式中，Np为变压器原边匝数。

2.2.4 平面变压器绕组电流和绕组设计

(1)变压器原边电流

以原边平均电流(Iave_P)和纹波电流(Irpp_p)为基础，依据电流有效值定义，推导计算求得原边电流(Irms_P)为：

表1 磁芯材料参数

(2)变压器副边电流

先求副边纹波电流Irrp_s，再以副边平均电流,即输出电流(Io)和纹波电流(Irrp_s)为基础，依据电流有效值定义，推导计算求得副边电流(Irms_s)为：

(3)设PCB 绕组电流密度为J=30 A/mm2，原边绕组印制线厚度(Hp)为0.056 mm，副边绕组印制线厚度(Hs)为0.089 mm，则计算的原边绕组Trac 宽度(Wp)为：

根据计算结果， 选取原边绕组Trace 宽度为0.508 mm， 副边绕组Trace 宽度为1.524 mm。

2.3 开关管所受的电压压力

开关管所受的电压压力(Vds)为输入最大直流电压(VDCmax)和副边反馈电压(Vreflect)与被钳位后的漏感震荡电压(Vclamp)三部分电压之和。 其中副边反馈电压为原边开关管关断时，输出电压通过变压器反馈到原边的电压，被钳位后的漏感震荡电压(Vclamp)为开关管关断瞬间，由变压器漏感和开关管输出电容串联产生震荡产生的电压，被RCD 电路吸收钳位后的电压。 通过电容吸收、二极管钳位、电阻消耗，将漏感能量释放掉，但要注意RCD 吸收钳位不能过猛，否则将成为一个吸收激磁电感能量的负载。 设该电压被RCD 钳位电路钳位后的电压为120 V，计算开关管的电压应力为：

根据计算的电流和电压值，开关管选用英飞凌公司的TIPD60R385CP(7A/600V/0.385ohm)MOSFET。

2.4 输出电容的计算及设计

依据电容伏安关系，设输出电压纹波峰峰值Vrp为200 mV，则可得输出电容容值为：

式中，T 为开关周期，D 为占空比。

依据计算结果，文中开关电源的输出电解电容选用Rubycon 低ESR 的680 μF/25 V 电 解 电 容。

3 高频PCB 平面变压器设计

3.1 PCB 平面变压器的磁芯结构尺寸

反激变压器磁芯EIR25 的结构如图1 所示。 变压器磁芯结构尺寸如表2 所示。

图1 反激变压器磁芯结构

表2 磁芯结构尺寸

3.2 PCB 平面变压器的绕组形状

依据磁芯的结构尺寸，进行平面变压器PCB 的设计，圆形绕组较矩形绕组利用率高，因此本文采用PCB 圆形绕组进行设计。 变压器PCB 绕组借鉴传统变压器三明治绕法来减小变压器的漏感，从而减小功率开关管的电压应力，缓解吸收电路压力，间接地提高了电源的效率[9-10]。 PCB 平面变压器绕组结构如表3 所示。

初级绕组分为4 层，每层6 匝，次级绕组同样也为4层，辅助绕组2 层，每层4 匝，初次级和辅助绕组层间连接通过打过孔进行连接。 采用三明治绕法进行绕制，以此来增加初级绕组与辅助绕组和次级绕组的耦合度，从而减少漏感。

4 实验结果

实验样机厚度仅为2 cm，功率密度达500 kW/m3，满足小巧、轻薄、高功率密度、高变换效率、高可靠性、开关电源绿色化发展要求。

4.1 输出电压稳态特性

低压115 V，高压230 V 输入时，电源输出纹波电流如表4 所示，高低压输入时纹波电压峰峰值小于200 mV。

4.2 效率

高低压输入测试各功率点效率，记录测试结果，绘制高低压效率曲线如图2 所示，1/4 载以上平均效率大于87%。

表3 PCB 平面变压器绕组结构

表4 高低压输入时输出电压纹波

图2 高低压效率曲线

5 结论

PCB 平面变压器能有效减小开关电源体积、提高其功率密度。 本文结合设计指标，选用反激变换器为主电路，设计研制了一台19.5 V/2.31 A 的超薄开关电源，厚度仅为2 cm，体积为9 cm×5 cm×2 cm。 阐述了变压器绕组匝比、各绕组匝数、占空比、原边绕组感量的计算和选取、变压器磁芯的选择、变压器气隙大小的计算，对PC 平面变压器绕组的宽度厚度以及绕制方式等问题进行了详细的分析与设计。 样机实验结果表明：该电源宽电压输入时，纹波峰峰值小于200 mV，平均效率可达87%，功率密度高达500 kW/m3。