3.3 切換式電源供應器設計
3.3.2 電源控制電路設計
( ) ( )
2
1 2
0
o
s s on
d o
on s on
T V T t
N
V V
t T t
N N
φ φ
φ
= − −
= + − −
( 3-5 )
在穩態下，鐵心一週期磁通變化量為零，故φ
( )
Ts = φ( )
0 故可推得2
1 1
o d
D N
V V
= D N
− ( 3-6 )
1 2
o
N V
−N
φ φ
φ(0)
ID
圖 3-7 反馳式轉換器波形
3.3.2 電源控制電路設計
根據上述原理，目前工業上應用多採用回授控制設計，藉由回授輸出電壓 調整開關PWM 週期，進而達到穩定電壓輸出的功能，在電源控制 IC 的選擇上，
我們採用 Fairchild Semiconductor 公司所出產之電源控制 IC：KA5M0365R，其 為一整合型控制IC，亦即整合半導體開關元件、與 PWM 控制核心的電源模組 IC，其規格如下：
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表 3-2 切換式電源控制 IC 特性
開關耐壓 開關耐流 切換頻率
KA5M0365R 650 V 2.15 Amp 67 KHz
切換式電源供應器的設計主要分為十二個步驟[22]，其設計流程圖如下圖 3-9 所示，透過圖 3-8 輔助設計軟體，我們能夠快速求出設計參數，表 3-3 所列 為切換式電源供應器輸出電壓與預估負載，為降低大電流對於DSP 控制 IC 與周 邊電路的影響，我們將功率模組側電源與 DSP 數位控制卡側電源分離，並且利 用高速型光耦合器達成訊號的傳輸，因此在電源輸出上，+5V 與+15V 電源具有 兩組輸出。
表 3-3 切換式電源供應器輸出電壓與目的
電壓 額定輸出電流 功能
+5V 1.3 Amp DSP 控制板電源 +15V 0.5 Amp 數位週邊電路電源
-15V 0.5 Amp 數位週邊電路電源 +5V 0.7 Amp IPM 電源 +15V 0.7 Amp IPM 電源
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圖 3-8 電源轉換器輔助設計軟體
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1. Determine the system specifications
2. Determine DC-link capacitor and DC-link voltage range
3. Determine maximum duty ratio
4. Determine transformer primary side inductance
5. Choose suitable power control IC from Ids
6. Choose suitable transformer core
7. Determine number of turns for each output
8. Determine wire diameter for each winding
Is the winding windows area enough?
Change core?
N
9. Diode design
10. Design output capaciator
11. Design RCD snubber circuit
12. Feedback loop design
Design finish
Y Y
N
圖 3-9 切換式電源供應器設計流程
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圖 3-10 為切換式電源供應器整體電路圖，各部份功能詳述如下
圖 3-10 切換式電源供應器電路圖
全橋整流器
透過全橋整流器，將市電110V 60Hz 交流電轉換為 155V 直流電，供給換 流器與切換式電源轉換器使用。
圖 3-11 全橋整流電路
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切換緩衝電路(RCD snubber)
圖 3-12 為 RCD 切換緩衝電路，在變壓器的繞製上由於漏感的產生，其等 效電路圖如圖 3-13 所示，圖 3-13(a)開關導通時Vd 電源同時對耦合電感與漏感充 能，圖 3-13(b)開關截止後，耦合電感將能量放透過二次側放出，但漏感能量無 法消耗，因此產生Vpp高壓，此時開關跨壓
sw d FL pp
V = V +V +V ( 3-7 )
此額外電壓差嚴重時可能導致切換開關崩潰導致電路燒毀，圖 3-14 為切換 緩衝電路，在圖 3-14(b)開關截止時，原漏感電流流向緩衝電路電容，降低原本 漏感電流瞬間變化所造成的漏感跨壓，進而降低開關跨壓，以防開關崩毀。
圖 3-12 切換緩衝(snubber)電路
Vd
N1:N2 +
vsw
-+
-+
-(a) 開關導通，電感充能
Vd
N1:N2 +
vsw
-+ +
-vpp -vFL
(b) 開關截止，電感放能 圖 3-13 無緩衝電路切換時漏感高壓
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(a) 開關導通，消耗電容能量 (b) 開關截止，電容充能 圖 3-14 使用 RCD 切換緩衝電路
二次側輸出電路
圖 3-15 為二次測輸出電路，提供五組輸出電路，其中二極體的選擇上，由 於切換式電源供應器的應用，二極體處於持續切換狀態，因此二極體選擇時必須 考慮其切換速度，因此我們使用FR303 高速反應二極體。
圖 3-15 二次測輸出電路
電壓回授電路
圖 3-16 為電壓回授電路，回授以電流回授的方式回授輸出電壓變化予控制 IC，透過光耦合器 PC817 的線性區運作達到隔離回授目的，雖然設計之電源供 應器具有五組輸出，但能透過回授控制的輸出只有一組，在選擇上，應選擇穩壓 要求最高之輸出進行回授，其他輸出則透過繞線圈數比達到所要之輸出電壓，其 中R1與R2需將輸出電壓分壓為2.5V 供給 KA431 IC 作為參考電壓。
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圖 3-16 電壓回授電路
電源控制 IC 電源繞組
KA5M0365R 需有 15V 以上電源供應，IC 才能夠正常運作，因此，下圖 3-17 電源控制IC 電源繞組的目的即為控制 KA5M0365R 運作所需電源，此組電源須 經過啟動，當整體電源也就是 AC 110V 市電開啟後，以 DC-bus 為電源，透過 RC 充電的方式將電容 C7電源提升到15V，此時 KA5M0365R 即會啟動，並開始 執行對於各組輸出包含自我電源輸出的穩壓控制。
圖 3-17 電源控制 IC 電源繞組
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