1 引言

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電源模塊的小型化已成為主要研究課題。電源模塊小型化的實現(xiàn)主要從提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構考慮，本文采用國際整流器公司(International Rectifier)的IRIS4007實現(xiàn)了頻率為180 kHz的單片開關電源設計。

2 IRIS4007簡介

IRIS4007是IRIS40xx系列的智能開關電源集成電路。其內(nèi)部集成了過流保護電路、過壓保護電路、熱關閉電路，以及高壓功率管MOSFET、PWM控制電路，大大減少了外部件數(shù)目，宜于電路的小型化。圖1為IRIS4007內(nèi)部結構原理圖，Vcc為電源引腳。電路啟動時，由供電電源經(jīng)電阻給電容充電，通過電容的充放電給Vcc腳提供電源電壓。OCP／FB為反饋引腳，實現(xiàn)主電流控制和二次端電壓控制。該器件有兩種工作模式：準諧振模式(Quasi-Reso-nant mode，QR)和脈沖比率控制模式(Pulse Ratiocontrol mode，PRC)。當反饋端電壓在Comp1比較器的門限電壓Vth(1)=0.73 V和Comp2的門限電壓Vth(2)=1.45(值為6.0 V)之間時，內(nèi)部比較器Comp1將使器件工作在固定的Toff=50μs的PRC模式下，因此，在PRC模式下開關電源的頻率在20 kHz以下。當反饋端電壓高于Comp2的門限電壓時。內(nèi)部比較器Comp2將使器件轉(zhuǎn)換到QR模式下工作。通過延遲電路可以在Vds也波形的谷點關斷功率MOS-FET，從而實現(xiàn)零電壓關斷，降低高頻損耗。選擇IRIS4007，并設計電路使其在準諧振模式下工作，有利于開關電路的小型化，有助于降低開關電源的高頻損耗。

3 電源電路工作原理及器件選型

設計的開關電源電路如圖2所示，電路參數(shù)：輸入電壓為27 V，輸出為800 V／3 mA，效率G=70％，頻率f=180 kHz。

由于輸入電壓為直流，因此只采用由L1，C1，C4構成輸入濾波電路，如果是交流供電，還需要有整流電路。由于單片電源的輸入電壓為直流27 V，因此可以通過電阻R4的分壓為IRIS4007提供偏置電壓，R4的值要根據(jù)IRIS4007的工作電流和電壓確定，C6為濾波電容，R2，D3構成了延遲電路，延遲電路用于把準諧振信號從輔助繞組反饋到FB(反饋)引腳，從而實現(xiàn)零電壓關斷，降低了高頻損耗以減少開關損耗，同時它也能為IRIS40xx的內(nèi)部鎖定電路提供1.35 mA的維持電流。R7，R8，C8構成電流檢測電路，R7是主初級電流檢測電阻。R8和C8用于濾除開關管上的電流沖擊，產(chǎn)生電流沖擊的原因是諧振電容C6的存儲電荷和變壓器的繞組間電容。D2，C5是反饋輸出的整流電路，可為光耦供電。Opto1，R1，R3，2DW232，R5為電壓控制回路，D1，C2，L2，C3構成輸出整流濾波電路。

3.1 高頻變壓器的設計

3.1.1 電源變壓器磁芯的選取

為了滿足開關電源提高效率、減小尺寸和重量的要求，需要一種高磁通密度、高頻低損耗的變壓器磁芯。本設計采用TDK公司的PC44材料的磁芯。按照輸出Vo=800 V，I=4 mA，以及高頻變壓器的裕量6％，則輸出功率Po=800×0.004×1.06=3.392W，選取EPC13的磁芯，該磁芯的有效橫截面積Ae=12.5 mm。

3.1.2 變壓器線圈匝數(shù)的計算

初級繞組匝數(shù)由式(1)決定：

Np=V×108／4BAef (1)

其中，V為施加在電阻上的電壓幅值(V)，B為工作磁通密度2 000(GS)，Ae為磁芯面積(0.125m2)，f為開關頻率(180 000 Hz)，將上述數(shù)據(jù)代入式(1)可得：

NP≈14

次級匝數(shù)可由式(2)確定：

Ns=[NP(VO+VD)(1-Dm)]／VminDm (2)

VO為輸出電壓，VD為整流二極管的壓降，Dm為脈沖信號的占空比，此處選為0.5，計算可得：

Ns≈400

反饋繞阻匝數(shù)的計算：取反饋電壓為VB=13 V，則反饋繞阻匝數(shù)由下式確定：

NB=NP[V／(VB+VD)]

經(jīng)計算可得：NB≈10

經(jīng)反復實踐，證明NP=20，NS=400，NB=10時，電源頻率較高。

3.2 主初級檢測電阻R7的選擇

R7=0.78／Ip (4)

Ip為初級峰值電流，峰值電流可由以下公式計算：

IP=Iav(2/Dm) (5)

上式中，Iav為初級均值電流，Dm為占空比。均值電流可由下式求出：

Iav=P0/(η×Vmin) (6)

其中，P0為輸出功率，η為估計所能達到的效率，Vmin為輸入電壓。

由式(4)可以計算出，主初級檢測電阻：

R7=0.15 Ω

3.3 反饋穩(wěn)壓回路的設計

由于IRIS4007為電流控制器件，本設計中選用線形光耦PC817A完成電流的反饋，其隔離電壓為5 000 V，傳輸率CTR為80％～160％。其電路中的電壓控制采用穩(wěn)壓二極管2DW232，輸出電壓的穩(wěn)定則通過反饋引腳電流的變化(即負載電流的變化)來改變IRIS4007內(nèi)部PWM波占空比來實現(xiàn)。由于負載電流比較小，為減小R3、R5支路的分流，R3+R5的阻值要遠遠大于負載的阻抗。

3.4 輸出整流濾波電路

輸出整流二極管需要選擇開關特性好、反向恢復時間短、耐壓高的快恢復二極管，電容的選取不僅要求參考電容值，還要求其耐壓值要高。本設計中的電容選用了TDK公司的高壓貼片電容，型號為C4532X 7R3A103KT，有利于減小電路板尺寸。

4 測試結果及結論

根據(jù)上述設計原則，使用IRIS4007設計了單端反激式開關電源，所設計的高壓電路板的尺寸為2.3cm×3.1 cm。對所研制的電源進行了測試，圖3～圖5分別為電路正常工作時的實測波形。該開關電源在實際中已做為激光陀螺的電源獲得了應用，實際工作中性能穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力強。

參考文獻:

[1]. IRIS4007 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/IRIS4007_407745.html.
[2]. PC817A datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PC817A_542407.html.
[3]. CTR datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/CTR_2043386.html.