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)。
henduogongchengshidounenghuixiangqizijichuxuedianyuanshideqingjing,congzuijichudelilunjichukaishi,daliangdezhayueziliao。jinglilemimanghekunhuo,yongshijianyidiandiandejilei。xiaobianjiangweidajiazhengliyixilieyouguankaiguandianyuanshejidejiaocheng,jihubaohanlekaiguandianyuandesuoyoutuopu。zhexiejiaochengyouqiangongchengshibianxie,genjuzishendezixuejingyanweidajialiangshendazao,xiwangnenggoubangzhudajiazouchumimang,jinkuaimaishangzhenggui。
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。
但(dan)是(shi)在(zai)設(she)計(ji)初(chu)始(shi)階(jie)段(duan),就(jiu)不(bu)一(yi)定(ding)了(le)。頻(pin)率(lv)太(tai)低(di),變(bian)壓(ya)器(qi)需(xu)要(yao)較(jiao)大(da)電(dian)感(gan)量(liang),同(tong)樣(yang)的(de)磁(ci)芯(xin)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)的(de)匝(za)數(shu),骨(gu)架(jia)定(ding)了(le),可(ke)利(li)用(yong)的(de)窗(chuang)口(kou)麵(mian)積(ji)一(yi)定(ding),那(na)麼(me)較(jiao)多(duo)的(de)匝(za)數(shu)就(jiu)不(bu)得(de)不(bu)用(yong)比(bi)較(jiao)細(xi)的(de)線(xian)徑(jing),這(zhe)樣(yang)就(jiu)不(bu)利(li)於(yu)線(xian)損(sun)控(kong)製(zhi)。較(jiao)多(duo)的(de)匝(za)數(shu),會(hui)有(you)更(geng)大(da)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong),造(zao)成(cheng)Mos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。
tigaolekaiguanpinlv,kaiguanguanzaiyimiaozhongneikaiguancishubianduole,kaiguanjiaochasunhaodecishuyebianduole,danshikaiguanguandewenshengbuyidinghuibiangao。yinweibianyaqidejishengcanshuyinweizashujianshaoerbiandegenghao,jishengdianrongchanshengdesunhaohenduoqingkuangxiadouhuiyousuogaishan。
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ruMathcad,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。
上shang麵mian提ti及ji的de知zhi識shi都dou是shi是shi否fou能neng夠gou充chong分fen理li解jie變bian壓ya器qi設she計ji的de主zhu要yao思si想xiang。希xi望wang大da家jia能neng夠gou充chong分fen理li解jie。從cong事shi電dian源yuan工gong程cheng師shi行xing業ye,實shi踐jian經jing驗yan的de重zhong要yao性xing要yao遠yuan遠yuan大da於yu基ji礎chu理li論lun的de學xue習xi,知zhi識shi都dou是shi在zai問wen題ti的de解jie決jue和he實shi踐jian中zhong學xue習xi到dao的de,而er不bu是shi對dui著zhe書shu本ben死si磕ke理li論lun得de來lai的de。在zai下xia一yi篇pian教jiao程cheng當dang中zhong,將jiang為wei大da家jia帶dai來lai反fan激ji開kai關guan電dian源yuan當dang中zhong相xiang關guan器qi件jian參can數shu計ji算suan。
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