【很完整】牛人教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型.docx

《【很完整】牛人教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【很完整】牛人教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型.docx（44页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、1开关电源介绍此文档是作为张占松高级开关电源设计之后的强化培训，基于计划安排，由申工讲解了变压器设计之后，在此文章中简单带过变压器设计原理，重点讲解电路工作原理和设计过程中关键器件计算与选型。开关电源的工作过程相当容易理解，其拥有三个明显特征：开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频直流：开关电源输出的是直流而不是交流也可以输出高频交流如电子变压器1.1 开关电源基本组成部分1.2 开关电源分类：开关电源按照拓扑分很多类型：buckboost正激反激半桥全桥LLC等等，但是从本质上区分，开关电源只有两种工作方式：正激：是开关管开通时传输能量

2、，反激：开关管关断时传输能量。下面将以反激电源为例进行讲解。1.3 反激开关电源简介反激又被称为隔离buck-boost电路。基本工作原理：开关管打开时变压器存储能量，开关管关断时释放存储的能量反激开关电源根据开关管数目可分为双端和单端反激。根据反激变压器工作模式可分为CCM和DCM模式反激电源。根据控制方式可分为PFM和PWM型反激电源。根据驱动占空比的产生方式可分为电压型和电流型反激开关电源。我们所要讲的反激电源精确定义为：电流型PWM单端反激电源。1.4 电流型PWM单端反激电源此类反激电源优点：结构简单价格便宜，适用小功率电源。此类反激电源缺点：功率较小，一般在150w以下，纹波较大，

3、电压负载调整率低,一般大于5%0此类反激电源设计难点主要是变压器的设计，特别是宽输入电压，多路输出的变压器。2举例讲解设计过程为了更清楚了解设计中详细计算过程，我们将以220VAC-380VAC输入，+5V3%(5A),155%(0.5A)三路共地输出反激电源为例讲解设计过程。提出上面要求，选择思路如下：电源总输出功率P=5*5W+15*0.5*2=40W功率较小，可以选择反激开关电源。反激电源功率只有40W又属于多路输出，+5V3%,纹波士15OmV,155%5V要求精度高，所以5v作为电源主反馈。考虑到5V对15V的交叉控制能力，开关电源选用断续模式(DCM)。芯片供电线圈选用15V输出，

4、但是其功率很小，计算过程中忽略不计。电源功率较小，输入电压变化范围只有30%,所以不需要PFC电路。电源总体电路框图设计如下：图2)关电源系统框图3输入电路输入电路包括防雷单元，EMI电路和整流滤波电路。下图为常见开关电源输入回路：3.1.1 防雷单元基于压敏电阻和陶瓷气体放电管的防雷电路使用的比较多，电路简单价格便宜。MOV1,M0V2,M0V3为压敏电阻，用来吸收雷击的浪涌电压，保护后面的电路，是防雷单元的主要元件。加入保险丝F2,F3,以及气体放电管FDG的其主要是安全要求，因为压敏电阻的失效模式特点，在遭受宙击或长时间老化后，压敏电阻电压等级会降低，有可能低于电网电压，导致其功耗变大甚

5、至短路，加入保险以及气体放电管，保证压敏出现故障不会造成短路。保险丝Fl一方面是保护后面电路出现故障时断开，另一方面，它也有防雷效果，在遭受雷击时，会有浪涌电流涌入M0V3,有可能导致保险Fl断开，但是如果想要有抗雷击效果，需要使用快速保险。由于开关电源工作在高频状态及其高di/dt和高dvdt,使开关电源存在非常突出的缺点一一容易产生比较强的电磁干扰（EMI）信号。其EMl信号不但具有很宽的频率范围，还具有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。设计EMI电路是为了抑制开关电源工作产生的辐射及传导干扰对电网的影响。 EMI电路中：Cl、LlC2、C3,C4组成的

6、双n型滤波网络，Cl,C4为X电容，滤除差模干扰，C2,C3为Y2电容，滤除共模干扰。其中Ll为共模电感，能够抑制共模信号。Ll的漏感为差模电感，抑制高频差模信号。C7为Y2电容，其在整流桥电流换向时，整流桥断开，输入与滤波电容完全隔开，滤波电容以后处于悬浮状态，所以加入电容C7,在整流桥换向过程中抑制EMI。 EMI电路对电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。R1,R2是安规要求,其主要作用是为了给X电容放电。需要在较短的时间内将X电容的电压降低到安全电压一下。 当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RTI（热敏电阻）就能有效

7、的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RTl电阻上，一定时间后温度升高后RTl阻值减小（RTl是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。3.1.3整流滤波电路 交流电压经BRGl整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大，所以选着合适的C5对于系统稳定非常重要。 经验选取：一般没有PFC的380VAC开关电源C5按照L525uFw来选。按照这个标准可以满足绝大部分电源滤波要求。具体不同要根据环境温度，温度高电容要取大一些。 电容C6为一高频薄膜电容，它在整流桥换向时提供能量和回路，对电源传导干扰有明显抑制作用。以上元器件参数不是计算得到的，

8、而是进行了EMl整改和雷击实验的时候确定最终参数。对于电容C5可以选择IoOUf/35OV电解电容串联。对于上一部分设计，我们公司一般都是直流母线直接输入，所以C5选取可以小一些。4关键电路计算：功率变换是设计的关键部分，其设计过程主要包括功率元件选择和开关变压器设计，其中开关变压器设计是开关电源设计工作中最重要的部分，其设计的结果直接决定了开关电源的性能，本文主要讲解电路原理。4.1 开关变压器4.1.1 变压器设计要点对于40W的反激开关电源，变压器工作在DCM模式比较好。DCTVf横忒反激变压SS电流波形 该电源5V输出为5A,为了提高5V控制力，使用铜箔，增加耦合系数。 由于该电源设计

9、为多路共地输出，+15V与L5V双线并绕，提高交叉调节能力。 初级线圈分成两部分，使用三明治绕法，减小漏感。 铁芯：有许多厂家的铁芯可被用作反激变压器。下面的材料适合使用：PC40或PC443C853C90或3F3。反激变压器一般用E形磁芯，原因是它成本低、易使用。其它类型磁芯如EF、EFD、ETD、EER和日应用在有高度等特殊要求的场合。RM、.toroid和罐形磁芯由于安全绝缘要求的原因不适合使用。低外形设计时EFD较好，大功率设计时ETD较好，多路输出设计时EER较好。 骨架：对骨架的主要要求是确保满足安全爬电距离，初、次级穿过磁芯的引脚距离，要求以及初、次级绕组面积距离的要求。骨架要用

10、能承受焊接温度的材料制作。 绝缘胶带：聚酯和聚酯薄膜是用作绝缘胶带最常用的形式，它能定做成所需的基本绝缘宽度或初、次级全绝缘宽度。边沿胶带通常较厚少数几层就能达到要求，它通常是聚酯胶带。以上面的一个实例来讲一下计算过程。1) 确定电源规格.输入电压范围Vin=220-380Vac;2) .输出电压/负载电流:VOUtl=5VlA,Vout2=15V0.5A,Vout3=-15V0.5A;3) .变压器的效率11=0.902 .工作频率和最大占空比确定.取:工作频率fosc=100KHz,最大占空比DmaX=O.45.(取小于0.5是由退磁伏秒积决定的)Tosc=lfosc=10us.Ton(m

11、a)=0.45*25=4.5usToff=10-4.5=5.5us.3 .计算变压器初与次级匝数比n(NpNs=n).最低输入电压Vin(min)=220*V2-20=280Vdc(取低频纹波为30V).根据伏特-秒平衡,有:Vin(min)*Dmax=(Vout+Vf)*(l-Dma)*n.其中VoUt为主反馈，因为主反馈电压是稳定的，是真正控制变压器的信号推得：n=Vin(min)*Dmax/(Voutl+Vfl)*(l-Dmax)=280*0.45(5+0.8)*0.55=39.5由于5V输出电流为5A,所以5V整流二极管使用大电流肖特基，压降近似取0.8V4 .变压器初级峰值电流的计算

12、.设+5V输出电流的过流点为120%;+5v整流二极管的正向压降为0.8V和15v整流二极管的正向压降1.0V.+5V输出功率:Poutl=(Voutl+Vfl)*loutl*120%=(5+0.8)*5*1.2=34.8W+15V输出功率Pout2=(Vout2+Vf2)*lout2=16*0.5=8W-Pout3=(Vout3+Vf3)*lout3=16*0.5=8W变压器次级输出总功率Pout=Poutl+Pout2+Pout3=51W由于工作在断续模式，所以一个周期输入的能量全部输出。DCM反激变压器线圈电流波形根据能量守恒：Vin(min)*0.5*lpp*Dma*Tosc*fosc

13、=Pout/所以Ipp=Pout/(o*Vin(min)*0.5*Dmax)=51(0.9*280*0.5*0.45)=0.9A5 .变压器初级电感量的计算.由式子VdC=LP*didt,得：1.p=Vin(min)*Ton(ma)lpp=280*4.5/0.9uH=1.4mH6 .变压器铁芯的选择.根据经验式子Aw*Ae=Pt*1062*ko*kc*fosc*Bm*j*zJt:Pt(变压器的标称输出功率)=Pout=23W,Ko(窗口的铜填充系数)=0.3(电压较高KO较小)，Kc(磁芯填充系数)=1(对于铁氧体)，变压器磁通密度Bm=2700Gs,过载时Bm=3000GS,j(电流密度):

14、j=4.5Amm,Aw*Ae=51*1062*0.3*l*100*103*2700Gs*4.5*0.90=0.9cm4考虑到绕线空风选择窗口面积大的磁芯,查表：事件号名尺寸(s)布总参tCdefAr(三Umm)iAIA4nT)tft(s的)E1312.85.0IM8，3，13.8330.14162.18Z7EI616.144)11.7S.219.635.4615川，I.M53.68EI9I9.!54JJXUQ5.722.839903R.01.74143SE2020.511.0IA5.014.07.03947.1IMO63.0IJOS9.9E2210.4534.016，724.653.91320S，1196.45E252S310.063&7l.76.644.547.92130A21.07110.9EE19铁氧体磁芯的有效截面积Ae=0.22cm2它的窗口面积Aw=0.50cm2EE19的功率容量乘积为Ap=Ae*Aw=O.Ilcm40.09cm4故选择EE19铁氧体磁芯满足条件7 .变压器初级匝数及气隙长度的计算.1 ).NP=LP*lppAe*Bm,得：NP=I400*0.9/(22.8*0.3)=取Np=184由Lp=uo*ur*Np2*Aelg,:气隙长度lg=uo*ur*Ae*Np2Lp=4h*10-7*184A2*22.8/