第26卷第8期 电子设计工程 2018年4月Vol.26 No.8Electronic Design Engineering Apr.2018 I彳L6799的痒挤锖#嘍开矣电源的锬针
钟卫连、王忠诚2
(1.怀化职业技术学院湖南怀化418000;2.怀化商业学校湖南怀化418000)
摘要：为了提高开关电源的可靠性，减小故障率，改善电路性能，提升电源的输出能力，提出了一种 基于L6799的半桥谐振型开关电源设计方案D W L6799为PFM脉冲发生器，配以半桥驱动电路和 LC谐振电路，就能构成高性能的PFM式开关电源。实践表明，此电源在+18 V输出的前提下，最大 输出电流达4.5 A以上，最大输出功率达80 W以上，稳压范围达150〜270 V。该电源可用于数字办 公设备、LE D照明设备中，具有广阔的应用前景。 关键词：L6799; PFM脉冲；半桥电路；谐振电路；开关电源
中图分类号：TN86 文献标识码：A文章编号：1674-6236(2018)08-0138-06 Half bridge resonant switching power supply design based on the L6799
ZHONG W ei-lian1,WANG Zhong-cheng2
(1. Huaihua Vocational and Technical College,Huaihua41S000,China;2.Huaihua Commercial School,
Huaihua418000, China)
A b stra ct:In order to improve the re lia b ility of the switching power supply,reduce failure rate,improve
circuit performance,enhance the output power of the power supply,proposed a half bridge resonant switching power supply design based on the L6799.Using L6799 as the PFM pulse generator,with half bridge driver circuit and LC resonant circuit can constitute PFM switching power supply with high performance,Practice shows that this power supply in the premise of+ 18V output,the Maximum output current of4.5A above，the maximum output power of 80W above,voltage regulator range up to 150 ~ 270Y.The power supply can be used in digital office equipment and LED lighting equipment.
Key w ords:L6799; PFM pulse;half bridge c irc u it;resonant c irc u it;switching power supply
传统的开关电源都是PW M式，即脉冲宽度调制 式'一般只有一个开关管，输出功率完全由一个开 关管承担，故开关管损坏特别平凡，电源的可靠性不 高。而半桥谐振型开关电源采用PFM(脉冲频率调 制）方式[2]，通过改变开关脉冲的频率来稳定输出电 压，这种电源使用半桥开关电路，输出功率由两个开 关管分担，在相同功率输出的前提下，每个管子的功 耗只有PW M式的一半，且开关管不会受大幅度反峰 脉冲的冲击，因而开关管损坏的现象大大减少，故障 率很低，提高了电源的可靠性。
1半桥谐振型开关电源的基本结构
1.1 LC串联谐振电路的特点
参考图1(a),L C串联谐振电路的固有谐振频率f。为'
°2tt4LC
当外加电压&的频率等于/。时，L C串联电路发 生谐振，此时，回路阻抗最小，电流最大两端的电压认也最大，且认与频率/之间的关系如图1(b)所 示，该曲线称为L C的F-/曲线。随着/远离/…队将 逐步减小。由此可知，通过控制/的大小，就可控制 认的大小。在实际电路中，一般选择感性区来控制 认的大小，设计电路时，要求/位于曲线的近似线性 段（即A B段)[4]。 1.2半桥谐振型开关电源的结构模型
图2是半桥谐振型开关电源的结构模型[5]，PFM 脉冲控制器负责产生两列相位相反的PFM脉冲，两 个开关管构成半桥电路，负责驱动L C串联电路。为
收稿日期=2017-05-15 稿件编号=201705094
作者简介：钟卫连（1984—），女，湖南怀化人，硕士研究生，讲师。研究方向：电源技术。
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钟卫连，等基于L6799的半桥谐振型开关电源的设计
(a)LC串联电路（b)V-/曲线
图1LC串联电路及其V-f曲线
了确保两个开关管导通时的电流平衡性，输出采用 全波整流滤波方式来获得直流电压t/j6]。使用稳压 环路控制PFM脉冲频率，就可控制输出电压t/。的大 小。因电路的实际工作频率高于/。，故降低PFM脉 冲的频率就会使输出电压t/。升高，而提高PFM脉冲 的频率会使输出电压K下降。
H • V
图2半桥谐振型开关电源的结构模型
目前，国外许多半导体公司都开发有相应的PFM脉冲控制器，如L6599、L6799、SSC9522等就是 其中的佼佼者。本文选择L6799来设计一款性能优 良的半桥谐振型开关电源。该电源的输出电压为+ 18 V，最大输出电流达4.5 A以上，最大输出功率 达80 W以上，稳压范围达150〜270 V。
2 L6799介绍
2.1内部框图
L6799的内部框图如图3所示，能完成PFM脉冲 的形成、稳压控制及各种保护等任务。
该芯片的主要特点有：1)脉冲频率控制方式，50%的脉冲占空比;2)局精度振荡器，振荡频率的最 大范围可达60〜500 kH z;3)0.3 |jls的死区时间；4)两 级过流保护;5)轻载状态下采用间歇工作模式;6)非 线性软启动方式。
2.2振荡频率
内部压控振荡器的振荡频率由3脚和4脚外部的
VT4个兀件决定，可按下式进行计算。
图3 L6799内部框图
式中，“//”表示并联，~表示光电三极管V T的内 阻。如果用稳压环路控制光电三极管的内阻，就可 控制振荡频率，进而控制输出电压的大小。当乂了截止时，^为^，振荡频率最小，用/m in表示；当V T饱和时，~可忽略不计，振荡频率最大，用/m a x表示，且有
fmin=3CF^RF m in m
f^= 3CFiR F jm n//RF_)m
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《电子设计工程》2018年第8期
3电路设计
3.1开关变压器原边电路的设计
开关变压器原边电路如图4所示。T为开关变 压器，其原边（即初级)绕组L与电容C构成L C串联电路;V T1和VT2构成半桥电路；芯片L6799与外围 元件构成PFM脉冲形成电路。半桥电路由+300 V 直流电压供电(该电压由220 V市电经整流滤波后获 得，用B+表示）。芯片采用+14 V电压供电。
3.1.1振荡频率范围的设定
因L6799允许的振荡频率范围为60~500 kH z，故要求电路的最小振荡频率/_>60 kH z，最大振荡 频率/…«矣500 kH z，取/…t a=60 kH z;/……=400 kHz[7]，则：
：60 kHz fo-4"：45 kHz
,m i n
1：400
kHz 若仏取330 PF，可以算出,i?F m i…=16.8 m,i?r……=3 k ll。因没有16.8 k il这一规格的电阻，故实取16.5 k f l。
3.1.2欠压保护点的设定
欠压保护点的高低由7脚外部电路来确定，因7 脚内部运放器不取电流，故上偏电阻可取数MX1。如 果欠压保护点设定为150 V，上偏电阻取6 M il(由两 只3 M n的电阻兄和沁串联而成），根据分压原理可 以推导出下偏电阻私的取值为：
R _ h25{R1 + R2)
3150 及-1.25
将兄、见的阻值代入上式后，可算出沁为35.6 k f t，电路中实取36 k ft。
3.1.3 LC谐振频率的选取
因电路的/_为60 kH z，为了让/…in落在F-/曲线的A B段，且靠A点的一头，故选：
-
140-
取C=22 nF，根据谐振频率的计算公式可以算出 [=579邱。考虑到制作误差，实取1=600邱。
3.1.4开关变压器的设计
按最低交流电压输人时，电路仍能输出80 W功 率和+18 V直流电压来设计开关变压器。
本电路的最低交流输人电压为150 V，经全波整 流和滤波后会有15 V左右的滤波损耗，故获得的B+ 电压(用表示)约为：
= 150^- 15 = 197 V
因半桥电路两管轮流导通，故L C串联电路两端 的电压为输入电压的一半[8]，即：
[A=197+2=98.5 V
开关变压器副边输出功率/\=80W，若变压器的 效率^取0.9，则原边输人的有效功率Pi为：
因只是由半桥电路提供的，故半桥电路的输出 电流（即流过LC的电流)/为：
卜
U,~98.5
= 0.9A
从而可以算出L C回路的阻抗Z为
：
钟卫连，等基于L6799的半桥谐振型开关电源的设计
异丙醇钛z=J r2h x l-x c)2= ^=0.9109 a
式中表示L的铜阻，一般很小；見表示i的感
抗；表示C的容抗。若忽略/?，则：
z=xL-x c = i〇9n
将^= 21^和
2irfC
代人上式，可求得戶61 kH z。
进而可求得：
X L= 2TrfL= 22U l
X c:2
t t/C
：i i9n
此时，变压器原边（即L)上的电压认为：
f/L=/Z L= 0.9x228 = 205 V
变压器副边(输出绕组)采用带中心抽头的全波整流电路进行整流，因电路工作时，脉冲占空比为0.5，故副边电压为：
U = U〇+ Ud_ 18 + 0.7 = 374V
20.5 0.5
式中，[/。表示输出直流电压，为+18 V;f/d表示整 流二极管的导通电压，取0.7 V。
原边绕组与输出绕组的匝数比为：
.u l_ 205
'U2~37.4
= 5.5
变压器原边绕组的匝数见可按下式[9]计算：
h L x l°+ L x l〇9
A r
式中A为变压器磁芯的气隙，单位为cm;i为原 边绕组的电感量，单位为H；儿为磁芯的有效截面 积，单位为cm2；瓜为磁芯无气隙时的电感因数，单位 为 n H/N2〇
若选用E T D34骨架，PC40材质的磁芯™，则其 瓜=2780n H/N2，儿=0.971cm2。若磁芯的气隙4取 0.06c m，将数据代入上式，可求得原边绕组的匝数 爪为56匝。
输出绕组的匝数队为：
A T2= != ||= l〇.2匝
1n 5.5
考虑到变压器的效率一般只有0.9左右，故％实 取12匝（中心抽头从第6匝的末端引出）。
按照上述相同的方法可以求得二次电源绕组的 匝数M为5匝。
原边绕组和输出绕组的功率大，采用线径为$ 1.0的漆包线绕制；二次电源绕组的功率小，用线径为$0.4的漆包线绕制。
3.1.S开关管的选取
半桥电路的两个开关管是同一型号的MOSEFT，因电路允许的最大市电电压为270 V，故要求开关管的耐压> 270及》382 V。
当L C电路运行于/_=60 kH z时,L C电路中电流 最大，达到/…a x，且：
X L-X C
______^
滑水鞋
2^L-
2也C
式中，表示B+电压的最大值(382 V)。代入 数据，可求得/m…=3.6A，考虑到浪涌因素，管子的最 大导通电流/D应取3/_(即11 A)以上[11]。
因电路的输出功率要求达到80 W以上，管子自 身还有损耗，故要求每个管子的最大耗散功率八必 须大于40 W。
因电路的最大工作频率/_=400 kH z，此时的周 期7^=2.5 (j u s，脉冲宽度r…=1.25 |xs，开关管的《。…和& 均应小于7；的10%(即125 ns)。
综上所述，选用型号为STF20NM60A的全塑MOSEFT作开关管，并配置一个20~30 cm2的散热片 (两管共享广。
3.1.6过流保护点的设定
当半桥回路电流达到第一保护点A时，6脚电压 就会超过0.8 V，此时内部过流保护电路会启动，自动升高振荡频率，半桥回路的电流就会下降。如果 某种原因引起半桥回路电流达到第二保护点/2时，6 脚电压会超过1.5 V，此时芯片关闭，停止输出。
因开关管的最大电流为/m…=3.6 A，故A选在營^= 2.4 A上，根据^ ，可以算出/?…为0.33 f t。此时，2= ^= 4_5A0
手机硬件加速为了防止过流保护电路误动作，6脚外部接有R C网络，时间常数选在卜1.5 j j l s为宜[13]。
过流保护的动作时间7V和恢复时间由2脚 外部R C网络决定。当2脚电压高于3.5 V时，芯片 关闭，停止脉冲输出，而当2脚电压低于0.3 V时，电路就能重启。7W和r,ttp可按下式计算：
T mp=1〇x C3;Tsto p=R5C3ln^|
r M P取 1~1.5 ij l s为宜，取 100~300 ms为宜。在本电路中，7V取1 |J L S，7_取250 ms，根据上式可以 算出/?5=1 M n,C3=0.1 p F。
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《电子设计工程》2018年第8期
3.2芯片供电电路的设计
芯片供电电路如图5所示，VT4及其周边元件构 成启动供电电路；L3为开关变压器的二次电源绕 组，它与/?12、VD5、C6等元件构成+14 V二次电源，为 芯片正常工作时提供工作电压。
VT4必须选用耐压为500 V以上，电流为0.3 A
若及23取2k l l，要求f/。为+ 18 V，代入上式，则可 求得/?22为12.4k ll。为了减小输出电压的误差，尺22和必须选用精密电阻(误差在1%以内）[16]。
在输出空载时，输出电压会大幅上升，经稳压电 路调节后，光电三极管会进入接近饱和的工作状态，使L6799进入间歇工作模式，此时电路功耗非常低
以上的 MOSEFT，如 PHT1N60、STQ1HNK60R等。为了防止VT4的G-S之间被击穿，应在G-S之间接一 限幅电路（由VD3和VD4构成），以确保G-S之间的 最大电压限定在12 V左右。因芯片正常工作时，其 运行电流小于5 m A，故VD5、VD6选用1N4148。
+300V 2. 4M Q2. 4M Q
3.3开关变压器副边电路的设计
变压器副边输出电路如图6所示。L2绕组的输 出电压为t/2=37.4 V，故整流二极管的反向耐压队必 须大于2f/2(S卩75 V)，且最大整流电流应高于5 A。考虑到电路刚通电时，整流电流很大，所以选用肖特 基孪生二极管FME-230A作整流管。为了提高散热 效果，可给整流管配备一个6 cm2的散热片[14]。滤波 电路选用T T型LC滤波器，各元件参数如图所示。
—r Y Y、
++ _
p ^10 -[ 1000 u F470 u F
35V35V
蛋白质晶体{±Hv>
：cn
470nF
50V
(1 w以下）。
STBY RFmin
图7稳压电路
4电路测试
在空载时，测得电路的输出电压为18 V。接上 一个4 11/100 W的负载，测得的输出电压和输出电
流见表1所示。
由表中数据可以看出，输入交流电压在150〜270 V变动时，输出直流电压的变化率在2%以内，纹
波噪声小于100 mVP i，属高精度输出。通过计算还
可知道，表中3种情况的输出功率分别为81 W、79.2W
和82 W。这说明，在正常市电输入时，电路具有80 W
以上的输出功率；在稳压范围内，电路也能维持这一
输出能力[17]。进一步对电路进行老化实验，在80 W
功率输出状态下，电路连续工作4小时，两个开关管
不烫手，开关变压器无明显温升现象，输出非常稳
定，属高性能电源。
表1有载时的输出值
图6变压器副边输出电路
3.4稳压电路的设计
稳压电路选用三端比较器TL431与光耦PC123 为核心构成[15]，电路如图7所示。
输出电压的高低由见2和见3决定，可按下式计 算：
输人交流电压
u.c
输出直流电压
u0
输出电流
/〇
纹波噪声
t/N 220 V+18 V 4.5 A<100mVp-,
150 V+17.8 V 4.45 A< 100 mVp-,
270 V+18.1 V 4.53 A< 100 mVp-,
5结束语
文中所设计的电路是PFM式半桥谐振型开关电 源，能高精度输出+ 18 V直流电压，输出功率达80 W
-142-
钟卫连，等基于L6799的半桥谐振型开关电源的设计
以上，稳压范围达150~270 V，且结构简单，性能优良，是一款极具实用价值，值得推广的电路。可用于办公设备、电脑适配器、LE D照明等方面具有广
阔的应用前景。
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