一种高可靠性准谐振反激式开关电源的设计

摘要：介绍了一种高可靠性准谐振反激式开关电源。分析了准谐振反激式开关电源和电源冗余的工作原理及实现方式。通过实验分析，验证了理论分析的准确性，提高了电源可靠性。证明该电源降低了开关损耗，具有较高的电源效率；表明了两路冗余电源具有较好的均流效果。
关键词：准谐振；冗余；反激；开关电源

随着社会对能源效率和环保问题的关注度日益提高，人们对开关电源的效率期望越来越高，而减少开关损耗是提高效率的重要途径之一。采用准谐振技术控制开关管，使其在开关管两端电压最小时开通，可以很大程度地减少开关损耗，相比传统的反激式开关电源，最多可以提高5％以上效率；同时开通过程中因开关管承受的电压较低，产生的dv／dt也小，于是产生较小的EMI，有效的解决电磁干扰等问题。
另一方面，开关电源现已广泛应用于铁路的通信网络等系统中。电源除了要连续运行外，还要经受高低温、高湿、冲击等考验。这就要求电源设备必须有很高的可靠性。采用冗余结构是一种有效提高电源可靠性的方法。本论文通过采用准谐振控制芯片和两路冗余热备份结构，设计出一种高可靠性的准谐振反激式开关电源。

1 准谐振反激式开关电源的原理及实现方式
(1)准谐振反激式开关电源原理分析
准谐振反激式开关电源基本原理和等效原理图如图1、2所示。其中Lm为原边励磁电感，Lk为原边漏感。电容Cd包括主开关管Q的输出电容Coss，变压器的匝间电容以及电路中的其他一些杂散电容。Rp为初级绕组的寄生电阻，包括变压器原边绕组的电阻，铜线的高频趋肤效应、磁材料的损耗以及辐射效应的等效电阻。

准谐振反激式开关电源工作在DCM或CRCM状态，副边二极管电流下降到零之后，电容Cd，原边电感Lp=Lm+Lk以及电阻Rp构成一个RLC谐振电路，主开关管Q两端电压Vds将产生振荡。传统的反激式开关电源主开关管可能Vds振荡波形任一点处开通，视负载情况而定。而准谐振反激式开关电源，不管负载情况如何，总是在当检测到Vds波形振荡到谷底时，控制器控制主开关管Q开通，降低主开关管Q的开通损耗，同时使得输出电容Cd上的能量损耗达到最小，波形图如图3所示。

在振荡阶段，Vds的值可以用如下的式子表示

其中n为原副边匝数，α为振荡的衰减系数，其表达式为：

可以看出如果有n(Vout+Vf)≥Vin，在T2时刻，主开关管的体二极管导通，此时控制主开关导通，主开关就能实现零电压开通。
如果n(Vout+Vf)≤Vin，尽管主开关无法实现零电压开通，但是让主开关在T2时刻导通仍然可以最大程度上减小主开关的开通损耗。