开关电源中应力平衡的优化方法及适用该方法的开关电源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电源电路的设计方法，特别涉及一种一次侧为三阶系统（主功率 存在两个磁性元件及一个容性元件）的开关电源中应力平衡的优化方法及适用该方法的 开关电源。
【背景技术】
[0002] 电源是将电能转换成为用电设备所需的各种形式的电路装置，它是所有靠电能工 作的装置的动力源泉。直流开关电源是一种采用占空比控制的开关电路构成的电能变换装 置，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。
[0003] 用于开关电源前级的电容一般选取的是铝电解电容，铝电解电容具有成本低、体 积小、额定耐压高等优点而被广泛选用。然而，由于铝电解电容是采用浸有糊状电解质的吸 水纸夹在两条铝箔中间卷绕而成，当存储时间过久，其内部的电解液挥发后漏电流增加，等 效串联电阻（ESR〖EquivalentSeriesResistance)也随之增加，因此错电解电容使用寿命 一般只有两到三年，而且高低温情况下会影响电解液的特性，所以铝电解电容对温度也非 常敏感。
[0004] 为减少电子设备内部开关电源对电网的污染，国际电工委员会和一些国家与地区 推出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等标准，对电流谐波作出了限量规定。为满足输入电 流谐波限制要求，最有效的技术手段就有源功率因数校正，诞生了一系列的提高功率因数 的电路（PFC:PowerFactorCorrection简写），目前被广为采用的有源PFC技术是两级方 案，这些电路很好的解决了电源PF值低的问题，电路的PF值可达到0. 9以上，但是这无疑 增加了系统电路及控制的复杂度，增加了成本，而且影响了电源的转换效率，特别是在功率 不大的场合，缺点更为突出。
[0005]目前的交流转直流拓扑中都必不可少有一个高压大容量的电解电容进行低频滤 波，但是这个电解电容有一系列的缺点，如：寿命，高低温特性等，而且还影响开关电源的 PF值（功率因数：PowerFactor简写），等等这些都制约着开关电源的发展。
[0006] 众所周知，反激拓扑是Buck-boost电路的隔离形式，一般被普遍应用于中小功率 场合，其具有电路结构简单，元器件少，易于多路输出等优点，图1示出了传统的反激拓扑 电路，包括整流桥、输入滤波电容C1、变压器T1、开关管Q1、开关管的驱动电路、输出滤波电 容Co、输出整流二极管D1。输入电压通过整流桥后，高电平部分与输入电容Cl正极相联， 一般称高电平部分为母线电压，低电平部分与输入电容Cl的负极相连，一般称低电平部分 为变换器原边地，母线电压与变压器Tl输入端相连，变压器Tl输入同名端与开关管Ql漏 极相连，开关管Ql的源极与变换器原边地相连，变压器输出同名端与输出二极管的阳极相 连，输出二极管阴极连接输出电容正极，变换器的输出地与变压器另一个输出端相连，电容 另一端与输出地相连。电路的工作过程如下：
[0007] 当开关管Ql导通，变压器Tl初级电流在输入电压的作用下，线性上升。变压器初 级电压感应到次级，使得整流二极管反向截止，电源的输出电压由输出滤波电容Co提供补 给。当开关管Ql关断，变压器初级电流被强制关断，由于电感电流不能突变，故在初级侧产 生一个感应电动势。根据电磁感应定律，当次级的感应电动势达到输出电压时，次级整流二 极管导通。初级电感在开关管开通时储存的能量，通过磁芯耦合到次级电感，然后通过次级 线圈释放到输出电谷Co中。
[0008] 通过上述分析知，普通的反激开关电源的高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的第 一象限，在开关管导通期间，变压器初级线圈只储存能量，而在截止期间才将初级线圈内储 存的能量传递到次级，因此它既是变压器，又是储能电感。值得注意的是，在这个过程中通 过变压器的电流方向不变，在其中心柱开一定的气隙可降低剩余磁场、提高磁芯的直流场 强，防止磁芯饱和。而然开气隙会造成漏磁现象，从而增加了变压器的漏电感，造成能量损 耗。普通反激电路的输入电容容值要求很大，不可避免的引入了电解电容所带来的缺陷。而 且电源的输出只通过反激变压器的储能传输，变压器的原边直流分量较大，因此需要磁芯 开一定的气隙，从而变压器漏感便很大，损耗很大。
[0009] 目前的无电解电容技术大多用于LED驱动照明领域，而LED驱动电源并不能满足 工业电源的性能要求，工业负载对电源的性能要求比LED对电源的性能要求要高出很多， 且LED照明用电源为恒流输出，而工业电源要求为恒压输出，在输入馒头波波谷时输出电 压会有较大的波动，即变换器无法消除这么大的工频干扰，输出会有较大的纹波。再者，目 前的无电解电容电源的输入范围也达不到工业电源的要求。
[0010] 设计开关电源是个充满矛盾的过程，鱼和熊掌不可得兼，需要平衡折中各种指标， 如稳态性能与动态性能的折中、功率密度与可靠性的折中、小信号性能与大信号性能的折 中、高低温下的设计折中、电性能与热性能之间的折中、关键部件的折中等等，当然还有其 他方面的折中，所有的这些折中最基本的还是关键部件的折中，一些主功率器件的选取关 系到整个开关电源能否正常工作及开关电源的性能优化，比如主功率器件承受的电压应 力、电流应力及磁应力等。在普通的开关电源的设计中，如功率变压器的设计，首先要优化 变压器的匝比，变压器的匝比关系到输入开关管的电压应力以及输出二极管的电压应力， 开关管的电压应力还与变压器的漏感有关，因此希望变压器的漏感越小越好，但在实现漏 感最小的同时，往往会增加绕组之间的分布电容，这通常会增加共模EMI干扰和降低安全 性。另外，如驱动能力的折中。为了减小功率开关器件（MOSFET)的开关损耗，希望其开关 过程尽量短，这可通过减小门级驱动电阻来实现，但在开关速度提高的同时，往往会增加电 源的共模EMI，使得EMI特性变差。
[0011] 在专利申请号为201410822779. 5的《一种电源电路》中国专利公开说明书示出了 一种开关电源的全新拓扑，其拓扑电路结构如图2所示。在专利《一种电源电路》中示出的 电路拓扑中，其主功率回路存在两个感性器件一一电感与变压器，与一个容性器件。目前现 有的开关电源拓扑的设计方法不适合用于以上专利中的全新拓扑，而且合理的电感、电容 与变压器的设计可以拓宽开关电源的输入电压范围，减少输出纹波。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是提供一种能够解决两个感性元件与一个容性元件的设计平衡，在 输出功率满足要求的基础上尽可能的减少输