欢迎光临深圳恒南电子有限公司
主营产品:磁/光电编码器、光电开关、电源IC、驱动IC、IGBT、IPM模块、LDO、MOS、静电保护、二三极管等
今天是
开关电源设计的主体思想!
添加时间:2020-7-8 10:48:42 出处:恒南电子 作者:恒南电子 点击:1412

开关电源设计教程—主体思想 


很多工程师都能回想起自己初学电源时的情景,从最基础的理论基础开始,大量的查阅资料。经历了迷茫和困惑,用时间一点点的积累。小编将为大家整理一系列有关开关电源设计的教程,几乎包含了开关电源的所有拓扑。这些教程由前工程师编写,根据自身的自学经验为大家量身打造,希望能够帮助大家走出迷茫,尽快迈上正轨。

在本篇文章当中将继续分享来自前工程师的关于反激变压器的设计细节,这一节是设计的主体思想,较为重要,希望大家能够充分理解。

本篇文章以一款19V、3.42A的适配器主功率回路设计过程为中心,来讲解一下反激式变压器的设计,主要参数:

输入电压:85-264AC;
输出:19V3.42A;
计算输出功率Pout=Iout*Vout=19*3.42=64.98W;
计算输入功率。Pin=Pout/η;

这里会出现一个效率估算的问题。效率η不应该是电源的总转换效率。这里的效率应该只包括变压器损耗、次级整流二极管损耗,PCB走线损耗,输出线损耗。Mos管损耗,整流桥损耗,前面的滤波电路的损耗,都不应该计算进去的。
估算大电解电容上的直流电压

Vdcmax=Vacmax*1.414=264*1.414=373V
Vdcmin=Vacmin*1.414*90%=108.171V

这里为什么要乘上0.9呢?是因为在AC输入低端,Flyback工作在靠近最大占空比的位置,此时整个功率回路的增益必须保证有余量,计算输入电压应该按照大电解电容上的谷底电压来进行计算。谷底电压到底是多少,这个和所选取的电解电容的容量有关系,具体怎么计算,大家可去网络上查询,有很多相关资料。

高压端满载,Flyback工作在满载的最小占空比状态,这个时候需要注意的是Mos管,二极管上面的电压应力,而整个电路的增益不需要考虑的。

选择工作频率

Mos管上的电压应力越低,频率就可以跑的越高,也就是输入电压越低的产品,频率就可以跑得高一些,因为电压高低对开关电源Mos管上面的交叉损耗,影响非常大。可观察一下跑到上M级别频率的开关电源,输入电压都是非常低的。

对于全电压反激,100K没问题的。不要抱着频率低,效率高这样的观点去设计,其实这种说法不科学的。频率低,每秒钟开关次数少,开关损耗感觉会小一些。但是这个是有前提条件的,前提条件就是对于已经设计好的变压器,降低频率,是可以直接观察到效率提高。

但是在设计初始阶段,就不一定了。频率太低,变压器需要较大电感量,同样的磁芯需要更多的匝数,骨架定了,可利用的窗口面积一定,那么较多的匝数就不得不用比较细的线径,这样就不利于线损控制。较多的匝数,会有更大的寄生电容,造成Mos管开通电流冲过大,损耗不降反增。

其实可以在可接受的范围内,尽量提高开关频率。因为变压器温升处理,很多情况下比Mos管更麻烦。较高的开关频率就可以降低所需电感量,降低匝数,我们就可以选取更粗一些的线径,同时变压器寄生参数会变得更好,假如选取合适的工作点,Mos管的温升完全可以保证在可以接受的范围内。对于全电压,新手不妨以65K作为起始点开始进行设计。其实全电压的反激,65-110K都没问题的。
新手大可以65K作为设计出发点。

什么时候需要调整频率呢,对于选定的磁芯,变压器绕不下了,在板子Outline确定的情况下,不能更换更大的磁芯,就需要提高工作频率,提高了工作频率,对于同样的输出功率,变压器绕线的圈数就会变小。

注意一点,频率变高,理论上磁芯损耗会增加,但是实际设计中,对于工作在第一象限的连续反激模式开关电源,磁芯损耗增加是很有限的。改变电源的工作频率,对整机最大的影响是改变工作频率,整机的温升分布会发生转移。频率抬高,Mos管、二极管的温升理论上会有所增加,变压器线包温升会下降。

提高了开关频率,开关管在一秒钟内开关次数变多了,开关交叉损耗的次数也变多了,但是开关管的温升不一定会变高。因为变压器的寄生参数因为匝数减少而变得更好,寄生电容产生的损耗很多情况下都会有所改善。

频率变高,次级整流二极管的损耗会有所增加,因为二极管寄生电容(与二极管并联)的存在,频率变高,寄生电容在每秒钟充放电的次数也会随之增加,而寄生电容放电是通过二极管本身放电的,这个影响也是有限的。

选择合适的最大占空比

回顾一下上面写的反激式开关电源输入输出关系表达式:

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))>

我们对于一定的输入输出电压,要确定一个合适的主回路增益。<什么是增益,就是Vout/Vindc(大电解电容上的电压Vindc)>,所有的拓扑的设计,这一步都是必不可少的。看一下与反激式主回路增益有关的参数,占空比D与变比n。

先说占空比,D<0.5,在变比为1的情况下,主回路增益<1,也就是说,这时候反激式电路是工作在降压区域。占空比D>0.5,反激式工作在升压区域。

变比

变比对什么东西有影响呢?变比直接影响到Mos管,输出二极管的电压应力,因为我们常规产品都是市电输入,输出也是有标准的几个档次,常用电压一般有5V、12V、24V、48V,这样子呢,世面上大量供货的Mos管,整流二极管,也都有对应的型号。

所以呢,对于一定的输入输出电压,我们不能随意的去选择占空比,这个都是有可取的范围的。我们先看一下Mos管的电压应力。

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)




图1是断续模式的Vds和次级电流对应的波形。




Mos关断,次级二极管导通,变压器次级同名端电压被钳位到Vout+Vf(Vf是整流二极管的正向压降)。初级Mos管关断,Mos管上的电压应力为Vdc加上变压器次级反射到初级的反射电压。实际计算的时候,我们应该在Vdcmax这个点来进行计算,因为Mos管一定是在输入电压最高的时候电压应力最大。当然Vds上的电压应力,除了我们计算出来的平台电压,还有因为寄生参数产生的振铃尖峰。



所以呢,对于管子耐压我们都要留裕量的,一般我们取管子标称耐压的80-90%,具体要看产品的客户规格书,或者自己公司内部的要求。变比n同时还决定输出整流二极管的电压应力,推导方法和Vsd一样,大家可以自行推导。

其实我们在实际设计中,不会单独的去选取变比,而是使用反激式变换器的总增益公式,直接选取Dmax,从而得出适合的变比n.

Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)

代入上式得:

Vout=(1/n)

这个是反激式的输入输出关系式:

Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>

对于一定的输入输出:

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已知我们选取合适的D值,就会得到不同的变比n。

(这里需要注意,选取占空比,是按照最低输入电压来选取的,因为我们必须保证在最低输出电压的情况下,电源能够带满载,并且需要有增益裕量,保证动态性能。而变比的参数跟最大占空比是对应的,观察反激式的输入输出增益公式,会发现每一个最大占空比对应一个变比。)

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)
Vd=(Vdcmax/n)+Vout

把得到的变比n带如上式,就可以得到对应的Mos管电压应力(平台),输出二极管电压应力,根据实际可选的Mos管,二极管的耐压,就可以选出合适的可用占空比。

不要感觉很麻烦,实际设计过程中,很多参数都需要反复迭代的,但并不提倡大家进行手算。下手计算第一容易出错,第二,效率很低,推荐一定要用合适的软件,比如Mathcad,Excel,把公式做成计算表,我们只需要根据自己的分析判断输入参数,计算由电脑来完成。

上面提及的知识都是是否能够充分理解变压器设计的主要思想。希望大家能够充分理解。从事电源工程师行业,实践经验的重要性要远远大于基础理论的学习,知识都是在问题的解决和实践中学习到的,而不是对着书本死磕理论得来的。

-END-

上一条:开关电源设计的主体思想!
下一条:电阻干货请收藏
© 2015 www.hengnan-ic.com 深圳恒南电子有限公司 您是本站第 5744 位访问者 技术支持:蓝顿网络
地址:广东省深圳市龙华区旭日商务小区27栋二楼 电话:0755-83235080 传真:0755-83255506
本站关键词:磁/光电编码器、光电开关、电源IC、驱动IC、IGBT、IPM模块、LDO、MOS、静电保护、二三极管等