??? 摘 要： 介紹了IRIS4007芯片的結構，分析了其基本的工作原理，給出了開關電源" title="開關電源">開關電源" title="單片開關電源" title="單片開關電源">單片開關電源">單片開關電源的實用電路及主要單元電路的設計方法。對電路進行了實驗測試，驗證了該單片開關電源的穩定性和可靠性。
??? 關鍵詞： IRIS4007? 單片開關電源? 反激式? 零電壓關斷
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??? 隨著大規模集成電路的發展，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主要從提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構兩個方面考慮。本文采用國際整流器（International Rectifier）公司的IRIS4007芯片實現頻率為180kHz的單片開關電源的設計。
1 IRIS4007芯片簡介
??? IRIS4007是智能開關電源集成芯片。該芯片內部集成了過流保護電路、過壓保護電路、熱關閉電路，并且把高壓場效應管MOSFET和PWM控制電路集成在一起，圖1為IRIS4007內部結構原理圖。VCC為IRIS4007電源供電腳；OCP/FB為反饋腳，通過該引腳實現主電流控制和二次端電壓控制。IRIS4007芯片有兩種工作模式：準諧振模式（QR）和脈沖比率控制模式（PRC）。當反饋端的電壓在比較器" title="比較器">比較器1的門限電壓Vth(1)=0.73V和比較器2的門限電壓Vth(2)=1.45V（MAX：6.0V）之間時，內部比較器1將使芯片工作在固定的Toff=50μs的PRC模式下，因此在PRC模式下開關電源的頻率在20kHz以下。當反饋端的電壓高于比較器2的門限電壓時，將使芯片轉換到QR模式下工作。在QR模式下工作時，通過外部的延遲電路可以在諧振電壓波形的谷點關斷場效應管，從而實現零電壓關斷，降低高頻損耗。因此選擇IRIS4007芯片設計電路，并使其工作在QR模式下，這樣既有利于開關電源的小型化，又有助于降低開關電源的高頻損耗。
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2 電源電路的工作原理
??? 本文設計的單片開關電源參數為：直流輸入電壓為27V, 輸出為800V/4mA, 效率G=70%,頻率f=180kHz。其電路圖如圖2所示，輸入電壓為直流，只用了由L1、C1、C4構成的輸入濾波電路" title="濾波電路">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27V，因此可以通過電阻R4和電容C6（濾波電容）為IRIS4007提供偏置電壓，R4的值要根據IRIS4007的工作電流和電壓確定。R2、D3、C8構成延遲電路，延遲電路用來把準諧振信號從輔助繞組反饋到FB（反饋）引腳，從而實現零電壓關斷，降低高頻損耗以減小開關損耗，同時它也為IRIS4007(k)的內部鎖定電路提供1.35mA的維持電流。R7、R8、C8構成電流傳感電路，R7是主初級電流傳感電阻。R8和C8濾掉了開關管上的電流沖擊，電流沖擊是諧振電容C7 的存儲電荷和變壓器的繞組間電容產生的。D2、C5構成反饋輸出整流濾波電路，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。
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3 主要元器件的設計
3.1電源變壓器的設計
3.1.1 電源變壓器磁芯" title="磁芯">磁芯的選取
??? 為滿足開關電源提高效率、減小尺寸和重量的要求，需要一種具有高磁通密度、高頻低損耗的變壓器磁芯。本設計中選用TDK公司PC44材料的磁芯。按照輸出電壓Vo=800V、輸出電流I=4mA，以及高頻變壓器的余量為6%的要求，則輸出功率Po=800×0.004×1.06=3.392W，可選取EPC13的磁芯，該磁芯的有效截面積Ae=0.125m2。
3.1.2 變壓器線圈匝數的計算
??? 初級繞組匝數由下式決定：
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式中,V為施加在繞阻上的電壓幅值,V=27V;B為工作磁通密度,取B=2000GS; Ae為磁芯面積, Ae=0.125m2; f為開關頻率, f=180000Hz。將數據代入上式可得：
??? NP=15匝
??? 次級繞組匝數可由下式確定：
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式中，Vo為輸出電壓,Vo=800V;VD為整流二極管的導通壓降，取VD=3V;Vmin=27V;Dm為脈沖信號的最大占空比，此處選Dm=0.5。將數據代入上式可得：
??? NS≈446匝
??? 反饋繞阻為光耦提供供電電壓，取反饋繞組輸出電壓為VB=13V，V=27V,則反饋繞阻匝數由下式確定：
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??? 將數據代入可得：
??? NB≈9匝
??? 經反復實踐，取NP=20匝、NS=400匝、NB=10匝時，電源效率較高。
3.2 主初級傳感電阻R7值的選擇
??? R7的計算：
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??? 式中，Ip為初級峰值電流,峰值電流可由下式計算:
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式中，Iav為初級均值電流，Dm為最大占空比。均值電流可由下式求出：
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式中,Po為輸出功率，η為所能達到的估計效率，Vmin為最小輸入電壓。
3.3 反饋穩壓回路的設計
?? 由于主控芯片IRIS4007為電流控制芯片，本設計中選用線性光耦PC817A完成電流的反饋，其隔離電壓為5 000V，傳輸率CTR=80%～160%。電路中的電壓控制使用穩壓二極管2DW232，輸出電壓的穩定是通過反饋電流的變化（即負載電流的變化）來改變IRIS4007內部PWM波占空比實現的。由于負載電流較小，為減小R3、R5支路的分流，R3+R5的阻值要遠大于負載阻抗。
3.4 輸出整流濾波電路的設計
???? 輸出整流二極管要選擇開關特性好、反向恢復時間短、耐壓高的快恢復二極管；電容的選取不僅要考慮其電容值，還要考慮其耐壓值要高，本設計中電容選用TDK公司的高壓貼片電容(型號為C4532X7R3A103KT)，有利于減小電路板尺寸。
4 電源工作狀態測試結果及結論
??? 根據上述設計原則, 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×3.1cm。對所研制的電源進行了測試，圖3～圖5 給出了電路正常工作時的實測波形。
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??? 該開關電源已作為激光陀螺的電源獲得了應用，在實際工作中，性能穩定、可靠性高、抗干擾能力強。
參考文獻
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