前輩工程師分享(2):開關電源設計教程—主體思想
發布時間:2015-02-22 責任編輯:sherryyu
【導讀】在上一篇文章當中,小編為大家整理了關於開關電源的伏秒平衡的de相xiang關guan知zhi識shi,在zai本ben篇pian文wen章zhang當dang中zhong將jiang繼ji續xu分fen享xiang來lai自zi前qian工gong程cheng師shi的de關guan於yu反fan激ji變bian壓ya器qi的de設she計ji細xi節jie,這zhe一yi節jie是shi設she計ji的de主zhu體ti思si想xiang,較jiao為wei重zhong要yao,希xi望wang大da家jia能neng夠gou充chong分fen理li解jie。
很(hen)多(duo)工(gong)程(cheng)師(shi)都(dou)能(neng)回(hui)想(xiang)起(qi)自(zi)己(ji)初(chu)學(xue)電(dian)源(yuan)時(shi)的(de)情(qing)景(jing),從(cong)最(zui)基(ji)礎(chu)的(de)理(li)論(lun)基(ji)礎(chu)開(kai)始(shi),大(da)量(liang)的(de)查(zha)閱(yue)資(zi)料(liao)。經(jing)曆(li)了(le)迷(mi)茫(mang)和(he)困(kun)惑(huo),用(yong)時(shi)間(jian)一(yi)點(dian)點(dian)的(de)積(ji)累(lei)。小(xiao)編(bian)將(jiang)為(wei)大(da)家(jia)整(zheng)理(li)一(yi)係(xi)列(lie)有(you)關(guan)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)的(de)教(jiao)程(cheng),幾(ji)乎(hu)包(bao)含(han)了(le)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)所(suo)有(you)拓(tuo)撲(pu)。這(zhe)些(xie)教(jiao)程(cheng)由(you)前(qian)工(gong)程(cheng)師(shi)編(bian)寫(xie),根(gen)據(ju)自(zi)身(shen)的(de)自(zi)學(xue)經(jing)驗(yan)為(wei)大(da)家(jia)量(liang)身(shen)打(da)造(zao),希(xi)望(wang)能(neng)夠(gou)幫(bang)助(zhu)大(da)家(jia)走(zou)出(chu)迷(mi)茫(mang),盡(jin)快(kuai)邁(mai)上(shang)正(zheng)軌(gui)。
在(zai)上(shang)一(yi)篇(pian)文(wen)章(zhang)當(dang)中(zhong),小(xiao)編(bian)為(wei)大(da)家(jia)整(zheng)理(li)了(le)關(guan)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)伏(fu)秒(miao)平(ping)衡(heng)的(de)相(xiang)關(guan)知(zhi)識(shi),在(zai)本(ben)篇(pian)文(wen)章(zhang)當(dang)中(zhong)將(jiang)繼(ji)續(xu)分(fen)享(xiang)來(lai)自(zi)前(qian)工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)關(guan)於(yu)反(fan)激(ji)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)設(she)計(ji)細(xi)節(jie),這(zhe)一(yi)節(jie)是(shi)設(she)計(ji)的(de)主(zhu)體(ti)思(si)想(xiang),較(jiao)為(wei)重(zhong)要(yao),希(xi)望(wang)大(da)家(jia)能(neng)夠(gou)充(chong)分(fen)理(li)解(jie)。
本篇文章以一款19V、3.42A的適配器主功率回路設計過程為中心,來講解一下反激式變壓器的設計,主要參數:
輸入電壓:85-264AC;
輸出:19V3.42A;
計算輸出功率Pout=Iout*Vout=19*3.42=64.98W;
計算輸入功率。Pin=Pout/η;
這裏會出現一個效率估算的問題。效率η不應該是電源的總轉換效率。這裏的效率應該隻包括變壓器損耗、次級整流二極管損耗,PCB走線損耗,輸出線損耗。Mos管損耗,整流橋損耗,前麵的濾波電路的損耗,都不應該計算進去的。
估算大電解電容上的直流電壓
Vdcmax=Vacmax*1.414=264*1.414=373V
Vdcmin=Vacmin*1.414*90%=108.171V這裏為什麼要乘上0.9呢?是因為在AC輸入低端,Flyback工gong作zuo在zai靠kao近jin最zui大da占zhan空kong比bi的de位wei置zhi,此ci時shi整zheng個ge功gong率lv回hui路lu的de增zeng益yi必bi須xu保bao證zheng有you餘yu量liang,計ji算suan輸shu入ru電dian壓ya應ying該gai按an照zhao大da電dian解jie電dian容rong上shang的de穀gu底di電dian壓ya來lai進jin行xing計ji算suan。穀gu底di電dian壓ya到dao底di是shi多duo少shao,這zhe個ge和he所suo選xuan取qu的de電dian解jie電dian容rong的de容rong量liang有you關guan係xi,具ju體ti怎zen麼me計ji算suan,大da家jia可ke去qu網wang絡luo上shang查zha詢xun,有you很hen多duo相xiang關guan資zi料liao。
高壓端滿載,Flyback工作在滿載的最小占空比狀態,這個時候需要注意的是Mos管,二極管上麵的電壓應力,而整個電路的增益不需要考慮的。
選擇工作頻率
Mos管上的電壓應力越低,頻率就可以跑的越高,也就是輸入電壓越低的產品,頻率就可以跑得高一些,因為電壓高低對開關電源Mos管上麵的交叉損耗,影響非常大。可觀察一下跑到上M級別頻率的開關電源,輸入電壓都是非常低的。
對於全電壓反激,100Kmeiwentide。buyaobaozhepinlvdi,xiaolvgaozheyangdeguandianqusheji,qishizhezhongshuofabukexuede。pinlvdi,meimiaozhongkaiguancishushao,kaiguansunhaoganjiaohuixiaoyixie。danshizhegeshiyouqiantitiaojiande,qiantitiaojianjiushiduiyuyijingshejihaodebianyaqi,jiangdipinlv,shikeyizhijieguanchadaoxiaolvtigao。
danshizaishejichushijieduan,jiubuyidingle。pinlvtaidi,bianyaqixuyaojiaodadianganliang,tongyangdecixinxuyaogengduodezashu,gujiadingle,keliyongdechuangkoumianjiyiding,namejiaoduodezashujiubudebuyongbijiaoxidexianjing,zheyangjiubuliyuxiansunkongzhi。jiaoduodezashu,huiyougengdadejishengdianrong,zaochengMos管開通電流衝過大,損耗不降反增。
其實可以在可接受的範圍內,盡量提高開關頻率。因為變壓器溫升處理,很多情況下比Mos管(guan)更(geng)麻(ma)煩(fan)。較(jiao)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)就(jiu)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)所(suo)需(xu)電(dian)感(gan)量(liang),降(jiang)低(di)匝(za)數(shu),我(wo)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)選(xuan)取(qu)更(geng)粗(cu)一(yi)些(xie)的(de)線(xian)徑(jing),同(tong)時(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)會(hui)變(bian)得(de)更(geng)好(hao),假(jia)如(ru)選(xuan)取(qu)合(he)適(shi)的(de)工(gong)作(zuo)點(dian),Mos管的溫升完全可以保證在可以接受的範圍內。對於全電壓,新手不妨以65K作為起始點開始進行設計。其實全電壓的反激,65-110K都沒問題的。
新手大可以65K作為設計出發點。
什麼時候需要調整頻率呢,對於選定的磁芯,變壓器繞不下了,在板子Outline確定的情況下,不能更換更大的磁芯,就需要提高工作頻率,提高了工作頻率,對於同樣的輸出功率,變壓器繞線的圈數就會變小。
zhuyiyidian,pinlvbiangao,lilunshangcixinsunhaohuizengjia,danshishijishejizhong,duiyugongzuozaidiyixiangxiandelianxufanjimoshikaiguandianyuan,cixinsunhaozengjiashihenyouxiande。gaibiandianyuandegongzuopinlv,duizhengjizuidadeyingxiangshigaibiangongzuopinlv,zhengjidewenshengfenbuhuifashengzhuanyi。pinlvtaigao,Mos管、二極管的溫升理論上會有所增加,變壓器線包溫升會下降。
提ti高gao了le開kai關guan頻pin率lv,開kai關guan管guan在zai一yi秒miao鍾zhong內nei開kai關guan次ci數shu變bian多duo了le,開kai關guan交jiao叉cha損sun耗hao的de次ci數shu也ye變bian多duo了le,但dan是shi開kai關guan管guan的de溫wen升sheng不bu一yi定ding會hui變bian高gao。因yin為wei變bian壓ya器qi的de寄ji生sheng參can數shu因yin為wei匝za數shu減jian少shao而er變bian得de更geng好hao,寄ji生sheng電dian容rong產chan生sheng的de損sun耗hao很hen多duo情qing況kuang下xia都dou會hui有you所suo改gai善shan。
頻率變高,次級整流二極管的損耗會有所增加,因為二極管寄生電容(與二極管並聯)的存在,頻率變高,寄生電容在每秒鍾充放電的次數也會隨之增加,而寄生電容放電是通過二極管本身放電的,這個影響也是有限的。
選擇合適的最大占空比
回顧一下上麵寫的反激式開關電源輸入輸出關係表達式:
Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)
代入上式得:
Vout=(1/n)(Vin*<D/(1-D))>
我們對於一定的輸入輸出電壓,要確定一個合適的主回路增益。<什麼是增益,就是Vout/Vindc(大電解電容上的電壓Vindc)>,所有的拓撲的設計,這一步都是必不可少的。看一下與反激式主回路增益有關的參數,占空比D與變比n。
先說占空比,D<0.5,在變比為1的情況下,主回路增益<1,也就是說,這時候反激式電路是工作在降壓區域。占空比D>0.5,反激式工作在升壓區域。
變比
變比對什麼東西有影響呢?變比直接影響到Mos管,輸出二極管的電壓應力,因為我們常規產品都是市電輸入,輸出也是有標準的幾個檔次,常用電壓一般有5V、12V、24V、48V,這樣子呢,世麵上大量供貨的Mos管,整流二極管,也都有對應的型號。
所以呢,對於一定的輸入輸出電壓,我們不能隨意的去選擇占空比,這個都是有可取的範圍的。我們先看一下Mos管的電壓應力。
Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)

圖1
圖1是斷續模式的Vds和次級電流對應的波形。

Mos關斷,次級二極管導通,變壓器次級同名端電壓被鉗位到Vout+Vf(Vf是整流二極管的正向壓降)。初級Mos管關斷,Mos管上的電壓應力為Vdc加上變壓器次級反射到初級的反射電壓。實際計算的時候,我們應該在Vdcmax這個點來進行計算,因為Mos管一定是在輸入電壓最高的時候電壓應力最大。當然Vds上的電壓應力,除了我們計算出來的平台電壓,還有因為寄生參數產生的振鈴尖峰。

圖3
所以呢,對於管子耐壓我們都要留裕量的,一般我們取管子標稱耐壓的80-90%,具體要看產品的客戶規格書,或者自己公司內部的要求。變比n同時還決定輸出整流二極管的電壓應力,推導方法和Vsd一樣,大家可以自行推導。
其實我們在實際設計中,不會單獨的去選取變比,而是使用反激式變換器的總增益公式,直接選取Dmax,從而得出適合的變比n.
Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)
代入上式得:
Vout=(1/n)
這個是反激式的輸入輸出關係式:
Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>
對於一定的輸入輸出:
Vout=19V
Vinmin=Vacmin*1.414*0.9=85*1.414*0.9=108.171V
Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>------>Vout已知Vin已知我們選取合適的D值,就會得到不同的變比n。
(這zhe裏li需xu要yao注zhu意yi,選xuan取qu占zhan空kong比bi,是shi按an照zhao最zui低di輸shu入ru電dian壓ya來lai選xuan取qu的de,因yin為wei我wo們men必bi須xu保bao證zheng在zai最zui低di輸shu出chu電dian壓ya的de情qing況kuang下xia,電dian源yuan能neng夠gou帶dai滿man載zai,並bing且qie需xu要yao有you增zeng益yi裕yu量liang,保bao證zheng動dong態tai性xing能neng。而er變bian比bi的de參can數shu跟gen最zui大da占zhan空kong比bi是shi對dui應ying的de,觀guan察cha反fan激ji式shi的de輸shu入ru輸shu出chu增zeng益yi公gong式shi,會hui發fa現xian每mei一yi個ge最zui大da占zhan空kong比bi對dui應ying一yi個ge變bian比bi。)
Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)
Vd=(Vdcmax/n)+Vout
把得到的變比n帶如上式,就可以得到對應的Mos管電壓應力(平台),輸出二極管電壓應力,根據實際可選的Mos管,二極管的耐壓,就可以選出合適的可用占空比。
不(bu)要(yao)感(gan)覺(jiao)很(hen)麻(ma)煩(fan),實(shi)際(ji)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong),很(hen)多(duo)參(can)數(shu)都(dou)需(xu)要(yao)反(fan)複(fu)迭(die)代(dai)的(de),但(dan)並(bing)不(bu)提(ti)倡(chang)大(da)家(jia)進(jin)行(xing)手(shou)算(suan)。下(xia)手(shou)計(ji)算(suan)第(di)一(yi)容(rong)易(yi)出(chu)錯(cuo),第(di)二(er),效(xiao)率(lv)很(hen)低(di),推(tui)薦(jian)一(yi)定(ding)要(yao)用(yong)合(he)適(shi)的(de)軟(ruan)件(jian),比(bi)如(ru)Mathcad,Excel,把公式做成計算表,我們隻需要根據自己的分析判斷輸入參數,計算由電腦來完成。
shangmiantijidezhishidoushishifounenggouchongfenlijiebianyaqishejidezhuyaosixiang。xiwangdajianenggouchongfenlijie。congshidianyuangongchengshixingye,shijianjingyandezhongyaoxingyaoyuanyuandayujichulilundexuexi,zhishidoushizaiwentidejiejueheshijianzhongxuexidaode,erbushiduizheshubensikelilundelaide。zaixiayipianjiaochengdangzhong,jiangweidajiadailaifanjikaiguandianyuandangzhongxiangguanqijiancanshujisuan。
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