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開關電源設計的主體思想!
添加時間:2020-7-8 10:52:06 出處:恒南電子 作者:恒南電子 點擊:424

開關電源設計教程—主體思想 


很多工程師都能回想起自己初學電源時的情景,從最基礎的理論基礎開始,大量的查閱資料。經歷了迷茫和困惑,用時間一點點的積累。小編將為大家整理一系列有關開關電源設計的教程,幾乎包含了開關電源的所有拓撲。這些教程由前工程師編寫,根據自身的自學經驗為大家量身打造,希望能夠幫助大家走出迷茫,盡快邁上正軌。

在本篇文章當中將繼續分享來自前工程師的關于反激變壓器的設計細節,這一節是設計的主體思想,較為重要,希望大家能夠充分理解。

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;

這里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。這里的效率應該只包括變壓器損耗、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,前面的濾波電路的損耗,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

這里為什么要乘上0.9呢?是因為在AC輸入低端,Flyback工作在靠近最大占空比的位置,此時整個功率回路的增益必須保證有余量,計算輸入電壓應該按照大電解電容上的谷底電壓來進行計算。谷底電壓到底是多少,這個和所選取的電解電容的容量有關系,具體怎么計算,大家可去網絡上查詢,有很多相關資料。

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,二極管上面的電壓應力,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管上面的交叉損耗,影響非常大?捎^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。

對于全電壓反激,100K沒問題的。不要抱著頻率低,效率高這樣的觀點去設計,其實這種說法不科學的。頻率低,每秒鐘開關次數少,開關損耗感覺會小一些。但是這個是有前提條件的,前提條件就是對于已經設計好的變壓器,降低頻率,是可以直接觀察到效率提高。

但是在設計初始階段,就不一定了。頻率太低,變壓器需要較大電感量,同樣的磁芯需要更多的匝數,骨架定了,可利用的窗口面積一定,那么較多的匝數就不得不用比較細的線徑,這樣就不利于線損控制。較多的匝數,會有更大的寄生電容,造成Mos管開通電流沖過大,損耗不降反增。

其實可以在可接受的范圍內,盡量提高開關頻率。因為變壓器溫升處理,很多情況下比Mos管更麻煩。較高的開關頻率就可以降低所需電感量,降低匝數,我們就可以選取更粗一些的線徑,同時變壓器寄生參數會變得更好,假如選取合適的工作點,Mos管的溫升完全可以保證在可以接受的范圍內。對于全電壓,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。

什么時候需要調整頻率呢,對于選定的磁芯,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,對于同樣的輸出功率,變壓器繞線的圈數就會變小。

注意一點,頻率變高,理論上磁芯損耗會增加,但是實際設計中,對于工作在第一象限的連續反激模式開關電源,磁芯損耗增加是很有限的。改變電源的工作頻率,對整機最大的影響是改變工作頻率,整機的溫升分布會發生轉移。頻率抬高,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。

提高了開關頻率,開關管在一秒鐘內開關次數變多了,開關交叉損耗的次數也變多了,但是開關管的溫升不一定會變高。因為變壓器的寄生參數因為匝數減少而變得更好,寄生電容產生的損耗很多情況下都會有所改善。

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(與二極管并聯)的存在,頻率變高,寄生電容在每秒鐘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

回顧一下上面寫的反激式開關電源輸入輸出關系表達式:

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))>

我們對于一定的輸入輸出電壓,要確定一個合適的主回路增益。<什么是增益,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?匆幌屡c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

變比對什么東西有影響呢?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,世面上大量供貨的Mos管,整流二極管,也都有對應的型號。

所以呢,對于一定的輸入輸出電壓,我們不能隨意的去選擇占空比,這個都是有可取的范圍的。我們先看一下Mos管的電壓應力。

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)




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臺電壓,還有因為寄生參數產生的振鈴尖峰。



所以呢,對于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系式:

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

對于一定的輸入輸出:

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。

(這里需要注意,選取占空比,是按照最低輸入電壓來選取的,因為我們必須保證在最低輸出電壓的情況下,電源能夠帶滿載,并且需要有增益裕量,保證動態性能。而變比的參數跟最大占空比是對應的,觀察反激式的輸入輸出增益公式,會發現每一個最大占空比對應一個變比。)

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(平臺),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。

不要感覺很麻煩,實際設計過程中,很多參數都需要反復迭代的,但并不提倡大家進行手算。下手計算第一容易出錯,第二,效率很低,推薦一定要用合適的軟件,比如Mathcad,Excel,把公式做成計算表,我們只需要根據自己的分析判斷輸入參數,計算由電腦來完成。

上面提及的知識都是是否能夠充分理解變壓器設計的主要思想。希望大家能夠充分理解。從事電源工程師行業,實踐經驗的重要性要遠遠大于基礎理論的學習,知識都是在問題的解決和實踐中學習到的,而不是對著書本死磕理論得來的。

-END-

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