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开关电源各个元器件--计算-选型

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  • 日期: 2015-11-25
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标签: 开关电源

开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。

很全的开关电源各个元器件--计算-选型  很不错

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太完美了很全的开关电源各个元器件计算选型 开关电源元器件选型保险丝 pic 第一个安规元件保险管 pic 1作用: 安全防护在电源出现异常时,为了保护核心器件不受到损坏 2技术参数: 额定电压V额定电流I熔断时间I2RT 3分类: 快断慢断常规 pic 106为不带功率因数校正的功率因数估值 2Po输出功率 3 效率设计的评估值 4Vinmin 最小的输入电压 52为经验值,在实际应用中,保险管的取值范围是理论值的153倍 6098 PF值 开关电源元器件选型热敏电阻 pic NTC的作用 pic NTC是以氧化锰等为主要原料制造的精细半导体电子陶瓷元件电阻值随温度的变化呈现 非线性变化,电阻值随温度升高而降低利用这一特性,在电路的输入端串联一个负温 度系数热敏电阻增加线路的阻抗,这样就可以有效的抑制开机时产生的浪涌电压形成的 浪涌电流当电路进入稳态工作时,由于线路中持续工作电流引起的NTC发热,使得电阻 器的电阻值变得很小,对线路造成的影响可以完全忽略 NTC的选择公式 pic 对上面的公式解释如下: 1 Rt 是热敏电阻在T1温度下的阻值 2 Rn是热敏电阻在Tn常温下的标称......

【太完美了】很全的开关电源各个元器件--计算/选型 开关电源元器件选型—保险丝 [pic] 第一个安规元件—保险管 [pic] 1作用: 安全防护。在电源出现异常时,为了保护核心器件不受到损坏。 2技术参数: 额定电压V、额定电流I、熔断时间I^2RT。 3分类: 快断、慢断、常规 [pic] 1、0.6为不带功率因数校正的功率因数估值 2、Po输出功率 3、η 效率(设计的评估值) 4、Vinmin 最小的输入电压 5、2为经验值,在实际应用中,保险管的取值范围是理论值的1.5~3倍。 6、0.98 PF值 开关电源元器件选型—热敏电阻 [pic] NTC的作用 [pic] NTC是以氧化锰等为主要原料制造的精细半导体电子陶瓷元件。电阻值随温度的变化呈现 非线性变化,电阻值随温度升高而降低。利用这一特性,在电路的输入端串联一个负温 度系数热敏电阻增加线路的阻抗,这样就可以有效的抑制开机时产生的浪涌电压形成的 浪涌电流。当电路进入稳态工作时,由于线路中持续工作电流引起的NTC发热,使得电阻 器的电阻值变得很小,对线路造成的影响可以完全忽略。 NTC的选择公式 [pic] 对上面的公式解释如下: 1. Rt 是热敏电阻在T1温度下的阻值; 2. Rn是热敏电阻在Tn常温下的标称阻值; 3. B是材质参数;(常用范围2000K~6000K) 4. exp是以自然数 e 为底的指数( e =2.{{71828:0}} ); 5. 这里T1和Tn指的是K度即开尔文温度,K度=273.15(绝对温度)+摄氏度. 开关电源元器件选型—压敏电阻 [pic] 压敏电阻的作用 1、压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏 电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电 路的保护。 2、主要作用:过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消 噪、保护半导体元器件等。 3、主要参数有:压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。 4、压敏电阻的响应时间为ns级,比空气放电管快,比TVS管(瞬间抑制二极管)稍慢一 些,一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。 选取压敏电阻的方法 压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量,但不能承受毫安级以上的持续电流,在用作过 压保护时必须考虑到这一点。压敏电阻的选用,一般选择标称压敏电压V1mA和通流容量 两个参数。 [pic] 1、a 为电路电压波动系数,一般取值1.2. 2、Vrms 为交流输入电压有效值。 3、b 为压敏电阻误差,一般取值0.85. 4、C 为元件的老化系数,一般取值0.9. 5、√2 为交流状态下要考虑峰峰值。 6、V1mA 为压敏电阻电压实际取值近似值 7、通流容量,即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25℃情况下,对于规定的冲击电流波 形和规定的冲击电流次数而言,压敏电压的变化不超过± 10%时的最大脉冲电流值。 选取压敏电阻的方法 结合前面所述,来看一下本电路中压敏电阻的型号所对应的相关参数。 [pic][pic] 开关电源元器件选型—EMI电路 [pic] EMI电路 [pic] 根据IEC {{60384:0}}-14,安规电容器分为X电容及Y电容: 1. X电容是指跨与L-N之间的电容器, 2. Y电容是指跨与L-G/N-G之间的电容器. 安规电容之--X电容 1、X电容多选用耐纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容。这种类型的电容,体积较大,但其 允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。 2、X电容容值选取是uF级,此时必须在X电容的两端并联一个安全电阻,用于防止电源线 拔插时,由于该电容的充放电过程而致电源线插头长时间带电。 安全标准规定,当正在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电源线插头两端带电 的电压(或对地电位)必须小于原来额定工作电压的30%。 3、作为安全电容之一的X电容,也要求必须取得安全检测机构的认证。X电容一般都标有 安全认证标志和耐压AC250V或AC275V字样,但其真正的直流耐压高达2000V以上,使用的时 候不要随意使用标称耐压AC250V或者DC400V之类的的普通电容来代用。 4、X电容主要用来抑制差模干扰 5、安全等级 峰值脉冲电压 等级(IEC664) 6、X1 >2.5kV ≤4.0kV Ⅲ 7、X2 ≤2.5kV Ⅱ 8、X3 ≤1.2kV —— 9、X电容没有具体的计算公式,前期选择都是依据经验值,后期在实际测试中,根据测 试结果做适当的调整。 10、经验:若电路采用两级EMI,则前级选择0.47uF,后级采用0.1uF电容。若为单级EMI ,则选择0.47uF电容。(电容的容量大小跟电源功率没有直接关系) [pic] 安规电容之--Y电容 1、交流电源输入分为3个端子:火线(L)/零线(N)/地线(G)。在火线和地线之间以 及在零线和地线之间并接的电容, 这两个Y电容连接的位置比较关键,必须需要符合相关安全标准, 以防引起电子设备漏电或机壳带电,容易危及人身安全及生命。它们都属于安全电容,从 而要求电容值不能偏大,而耐压必须较高。 2、Y电容主要用于抑制共模干扰 3、Y电容的存在使得开关电源有一项漏电流的电性指标。 工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.7mA;工作在温带机器,要求对地漏电 电流不能超过0.35mA。因此,Y电容的总容量一般都不能超过4700PF(472)。 Y电容的作用及取值经验 Y电容底下又分为Y1, Y2, Y3,Y4, 主要差別在于: 1. Y1耐高压大于8 kV,属于双重绝缘或加强绝缘|额定电压范围≥ 250V 2. Y2耐高压大于5 kV,属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围≥150V ≤250V 3. Y3耐高压 ≥2.5KV ≤5KV 属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围≥150V ≤250V 4. Y4耐高压大于2.5 kV属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围<150V GJB151中规定Y电容的容量应不大于0.1uF。Y电容除符合相应的电网电压耐压外,还要求 这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量,避免在极端恶劣环境条件下出现 击穿短路现象,Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。 共模电感 EMI电路 [pic] 共模电感的作用 共模电感上,A和B就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上,匝数和相位都相同 (绕制方向向反)。这样,当电路中的正常电流流经共模电感时,电流在同相位绕制的电 感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量 因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时,由于共模电流的同向性,会在线圈内产 生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰 减共模电流,抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射,达到滤波的目的。 共模电感的设计 [pic] [pic] 第一步: 确定客户的规格要求 , EMI允许级别 第二步: 电感值的确定 第三步: core(磁芯)材质及规格确定 第四步:绕组匝数及线径的确定 第五步:打样 第六步:测试 共模电感的电感量计算 EMI等級 : Fcc Class B 已知条件:C2=C7=3300pF [pic] EMI测试频率:传导150KHz~30MHz。 EMC测试频率: 30MHz~3GHz。 实际的滤波器无法达到理想滤波器那样陡峭的阻抗曲线,通常可将截止频率设定在50KH z左右。在此,假设Fo=50KHz。则以上,得出的是理论要求的电感值,若想获得更低的截 止频率,则可进一步加大电感量,截止频率一般不低于10KHz。理论上电感量越高对EMI 抑制效果越好,但过高的电感将使截止频率将的更低,而实际的滤波器只能做到一定的 带宽,也就使高频杂讯的抑制效果变差(一般开关电源的杂讯成分约为5~10MHz之间)。 另外,感量越高,则绕线匝数越多,就要求磁芯的ui值越高,如此将造成低频阻抗增加 。此外,匝数的增加使分布电容也随之增大,使高频电流全部经过匝间电容流通,造成 电感发热。过高的ui值使磁芯极易饱和,同时在生产上,制作比较困难,成本较高。 共模磁芯的选择 从前述设计要求中可知,共模电感器要不易饱和,如此就需要选择低B- H(磁芯损耗与饱和磁通密度)温度特性的材料,因需要较高的电感量,磁芯的μi值也就 要高,同时还必须有较低的磁芯损耗和较高的BS(饱和磁通密度)值,符合上述要求之 磁芯材质,目前以铁氧体材质最为合适,磁芯大小在设计时并没有一定的规定,原则上 只要符合所需要的电感量,且在允许的低频损耗范围内,所设计的产品体积最小化。 因此,磁芯材质及大小选取应以成本、允许损耗、安装空间等做参考。共模电感常用磁 芯的μi约在2000~{{10000:0}}之间。 [pic] 共模电感圈数的计算 在本电路中,我们选用的磁芯型号为 TDK UU9.8 磁芯材质PC40 μi值2300 AL值 500nH/N^2 [pic] 共模电感线径的计算 [pic] J为无强制散热情况下每平方毫米所通过的电流值,若有强制散热可选择6A。 Iin_avg输入电流平均值 2为常数 开关电源元器件选型—整流桥 [pic] 整流桥(桥堆)的计算 [pic] [pic] 整流桥的耐压选择 [pic] 整流桥的耐电流选择 5为输入电流有效值的倍数,经验值。 [pic] 所选整流桥的正向管压降 [pic] 所选整流桥的功率损耗计算 BUCK电容容值的计算 [pic] 开关电源元器件选型—RCD钳位电路 高压启动与RCD箝位电路 红线圈起的电阻为I C的高压启动电阻,电阻阻值的选择由IC特性决定。 蓝线圈起的部分为RCD箝位电路(也称为关断缓冲电路)。此部分电路主要用于限制MOS关 断时高频变压器漏感的能量引起的尖峰电压和次级线圈反射电压的叠加,叠加的电压产 生在MOS管由饱和转向关断的过程中,漏感中的能量通过D向C充电,C上的电压可能冲到 反电动势与漏感电压的叠加值,即:Vrest+ ΔVpp。 [pic] C的作用则是将该部分的能量吸收掉,其容量由下式决定: C=(Le×Isc^2)/[( Vrest+ ΔVpp )^2- Vrest^2] 这里的, Le:漏感,单端反激一般为40~100uH,低于40uH可不考虑,一般取50uH计算; Vrest:反电动势;2*n*Vout ΔVpp:漏感电动势的峰值;8%*Vrest Isc:短路保护时变压器初级线圈流过的最大电流。Ipk^2 RCD电路电阻、二极管的计算 电阻R: 在变压器下半周期由截至变为导通时,C上的能量经R来释放,直到C上的电压将到下次M OS管关断之前的反电动势Vrest,在放电的过程中,漏感电动势ΔVpp是不变的,通过放电 常数R、C和变压器关断时间的关系,可以求得R的值,可以按周期T的63%计算: R×C=0.63T×( Vrest+ ΔVpp )/ ΔVpp 注释:T=1/f f:为变压器的工作频率。 R=0.63 ( Vrest+ ΔVpp )/ (ΔVpp ×f ×C) 其功耗为:P= Le×Isc2×f/2 由于D和C上都有能量消耗,而且放电时间可能要短,所以该电阻的实际功耗可按计算值 的一半考虑。 P(实际)=P(计算值)/2 关于D的取值 耐压值要超过叠加值的10%。 电流要大于输入电流平均值的10% 同行工程师经验总结: 1、D要选慢速的,对EMI好; 2.电容选的越大,电压尖峰越小,也就是RCD吸收的漏感能量越大; 3.R应该取值较小才好,R越小,电容放电越快,下个周期时就能吸收更多的能量。 4.C选大,R选小,吸收能力较强,且震荡的周期变长,也就是频率降低,EMI较好, 但损耗也会较大,故要折中选取。 开关电源元器件选型—Mos管/漏感介绍 什么是漏感? 同一个磁体上两个有互感的线圈N1、N2,N1线圈上流过的电流I1产生的磁通¢11分为两 部分,一部分是匝链N1、N2两个线圈的互感磁通,另一部分只与N1(激励线圈)线圈匝 链,不与N2线圈匝链的漏磁通¢1S。对应漏磁通产生的感量,称之为漏感。 漏感,是一种实际存在的物理参数,而不是一种叫做电感的物体。 影响漏感大小的因素: 漏感的产生跟线圈间耦合的紧密程度、线圈的绕制工艺、磁路的几何形状、磁介质的性 能等有关。 漏感的作用: 漏感会限制开关管开通时的电流上升速度,有降低开通损耗的效果。但没有降低导通损 耗的效果。关断的时候,漏感反而是不利影响。电流由于漏感的存在,下降会变慢,关 断损耗会变大。开通瞬间,由于漏感存在,电流的上升速度降低,漏感呈现的是阻抗形 式。电流是从零开始上升的,瞬间电流为零,就形成很大阻抗。 注:漏感不参与能量的传递,是变压器的寄生参数,应当越小越好。 [pic] MOS管(开关管)的选择 [pic] ▪ MOS管的耐压选择: ▪ Vdss=2*Vdcmax DS极间耐压要是两倍的直流输入最大电压 ▪ MOS管的耐电流选择: ▪ Idrms=Iout*[1.2(Po/Vdcmin)/1-Dmax] ▪ Idrms:MOS所通过的电流有效值 ▪ Iout:输出电流 ▪ Po:输出功率 ▪ Vdcmin:最小输入直流电压值 ▪ Dmax:最大占空比 ▪ MOS的导通损耗计算 ▪ Psw=Idrms^2*Rds ▪ 有效电流值的平方乘上MOS内阻 开关电源元器件选型—反激变压器 变压器的简单设计 首先确定已知参数: ▪ 1)开关频率:Fsw; ▪ 2)变压器的效率:η; ▪ 3)最大占空比:Dmax; ▪ 4)输入电压范围:Vinmin,Vinmax ▪ 5)输出电压 Vout ▪ 6)输出电流Iout ▪ 7)K=0.4(DCM=1,CCM=0.3~0.5); ▪ 8)输出二极管管压降Vf ▪ 9)辅助绕组电压Vb ▪ 10)辅助绕组二极管管压降Vfb 设计步骤一 ▪ 输入功率 Pin=(Vout*Iout) η ▪ 输入电流平均值 Iin_avg=Pin/(√2*Vinmin*Dmax) ▪ 初级电感量Lp=(√2*Vinmin*Dmax)^2/2*Pin*Fsw*K ▪ 纹波电流 ⊿I= √2*Vinmin*Dmax/Lp*Fsw 设计步骤二 ▪ 再确认参数 ▪ 根据设计功率和结构空间选择磁芯 ▪ 选好磁芯确定磁芯材质选出ui值 ▪ 确定材质找出相对温度的Bs(饱和磁通密度)一般选择60°相对的Bs. ▪ 找出Ae(磁芯实际截面面积)、Acw(磁芯总卷线截面面积)、Ve(磁芯实效体积 )值 设计步骤三 ▪ 计算输入电流峰值Ipk=(Iin_avg*⊿I/2)*1.2 ▪ 计算AP值 AP=Ae*Acw ▪ 计算初级圈数确认选择 NP1= (√2*Vinmin*Dmax)/ui*Fsw*Ae NP2=LP*Ipk/Bs*Ae NP= | NP1 if NP1>NP2 | NP2 otherwise ▪ 匝比的计算 n=[Dmax/(1-Dmax)]/Vout+Vf ▪ 次级线圈的计算 NS=NP/n ▪ 辅助绕组线圈的计算Nfb=(Vf+Vfb/Vout+Vf)*NS ▪ 反推验证Dmax ▪ Dmax=[n*(Vout+Vf)]/[√2*Vinmin+n*(Vout+Vf)] ▪ 气隙的计算 Lg=4*3.14*10^-7*NP^2*Ae/Lp 关于反激变压器的气隙 ▪ 为什么要开气隙? 反激变换器中,变压器起着电感和变压器的双重作用,因而变压器磁芯处于直流偏 磁状态,为防磁饱和因此要加入气隙。 防止磁芯饱和不仅只有开气隙一种方法,另外一种是增加磁心的体积;不过通常设 计时空间已经限制了磁芯的大小,所以实际设计中开气隙的方法应用的比较多; 这两种方法都可以使磁心的磁滞回线变得“扁平”,这样对于相同的直流偏压,就降 低了工作磁通的密度。 变压器的线径选择 变压器的线径计算是有规定的,特别是反激式电源变压器更应该注意? 自然冷却时j=1.5~4A/mm2,强迫冷风时3~5A/mm2。 在不同的频率下选取d也是不同的,在200KHz以下时,一般为4~5A/mm2,在200KHz以上时 ,一般为2~3A/mm2。 [pic] 变压器的绕制方法 为了减少漏感,目前最好的、工艺最简单的绕制方法是初次级交错绕法也就是大家常说 的三明治绕法。 [pic] 开关电源元器件选型—输出整流管 电动自行车电源电路原理图 [pic] 次级侧电路原理图 [pic] 次级整流二极管的选型 为了降低输出整流损耗,次级整流二极管一般选用肖特基二极管,肖特基二极管有较低 的正向导通压降Vf,能通过较大的电流。 输出整流二极管的耐压值 [pic] [pic]Vout为输出电压 ▪ Np为变压器原变圈数 ▪ Ns为变压器副边圈数 ▪ Vdcmax为输入最大直流(最大交流的峰值) ▪ 120%为给二极管留的尖峰余量 二极管的峰值电流值 [pic] ▪ Ipp为原边的峰值电流(计算变压器时计算) 次级整流二极管的有效值电流值(此处为工作在DCM模式) [pic] Dmax为最大占空比 次级整流管的热设计 ▪ 二极管的热损耗包括正向导通损耗、反向漏电流损耗及恢复损耗。因为选用的是肖 特基二极管,反向恢复时间短和漏电流比较小,可忽略不记。 二极管的PN结对环境的热阻可以通过DATASHEET查得Rthjc=1.2°C/W Tj=Rthjc*Vf*Id_rms+Ta Ta为工作的环境温度 Tj为二极管工作温度理论值 Vf表示二极管的正向导通压降 Id_rms表示通过二极管的有效值电流 开关电源元器件选型—RC吸收回路 吸收回路选型 吸收的本质 ,什么是吸收? ▪ 在拓扑电路的原型上是没有吸收回路的,实际电路中都有吸收,由此可以看出吸收 是工程上的需要,不是拓扑需要。 ▪ 吸收一般都是和电感有关,这个电感不是指拓扑中的感性元件,而是指诸如变压器 漏感、布线杂散电感。 ▪ 吸收是针对电压尖峰而言,电压尖峰从何而来?电压尖峰的本质是什么? ▪ 电压尖峰的本质是一个对结电容的dv/dt充放电过程,而dv/dt是由电感电流的瞬变 (di/dt)引起的,所以,降低di/dt或者dv/dt的任何措施都可以降低电压尖峰, 这就是吸收。 吸收的作用? ▪ 1、降低尖峰电压 ▪ 2、缓冲尖峰电流 ▪ 3、降低di/dt和dv/dt,即改善EMI品质 ▪ 4、减低开关损耗,即实现某种程度的软开关。 ▪ 5、提高效率。提高效率是相对而言的,若取值不合理不但不能提高效率,弄不好 还可能降低效率。 RC吸收的特点 ▪ 1、双向吸收。一个典型的被吸收电压波形中包括上升沿、上升沿过冲、下降沿这 三部分,RC吸收回路在这三各过程中都会产生吸收功率。通常情况下我们只希望对 上升沿过冲实施吸收。因此这意味着RC吸收效率不高。 ▪ 2、不能完全吸收。这并不是说RC吸收不能完全吸收掉上升沿过冲,只是说这样做 付出的代价太大。因此RC吸收最好给定一个合适的吸收指标,不要指望它能够把尖 峰完全吸收掉。 ▪ 3、RC吸收是能量的单向转移,就地将吸收的能量转变为热能。尽管如此,这并不 能说损耗增加了,在很多情况下,吸收电阻的发热增加了,与电路中另外某个器件 的发热减少是相对应的,总效率不一定下降。设计得当的RC吸收,在降低电压尖峰 的同时也有可能提高效率。 吸收的误区 ▪ 1、Buck续流二极管反压尖峰超标,就拼命的在二极管两端加RC吸收。 这个方法却是错误的。为什么?因为这个反压尖峰并不是二极管引起的,尽管表现 是在这里。这时只要加强MOS管的吸收或者采取其他适当的措施,这个尖峰就会消 失或者削弱。 ▪ 2、副边二极管反压尖峰超标,就在这个二极管上拼命吸收。 这种方法也是错误的,原因很清楚,副边二极管反压尖峰超标都是漏感惹的祸,正 确的方法是处理漏感能量。 ▪ 3、反激MOS反压超标,就在MOS上拼命吸收。 这种方法也是错误的。如果是漏感尖峰,或许吸收能够解决问题。如果是反射电压 引起的,吸收不但不能能够解决问题的,效率还会低得一塌糊涂,因为你改变了拓 扑。 吸收的计算 书上网络上都有关于吸收回路的计算方法的介绍,但由于寄生参数的影响,这些公式几乎 没有实际意义,实际上大部分的RC参数是靠实验来调整的,但RC的组合理论上有无穷多,怎 么来初选这个值是很关键的,下面来介绍一些实用的理论和方法 。 ▪ 1、先不加RC,用容抗比较低的电压探头测出原始的震荡频率.此震荡是有LC 形成的,L主要是变压器次级漏感和布线的电感和输出电容, C主要是二极管结电容和变压器次级的杂散电容。 ▪ 2、测出原始震荡频率后, 可以试着在二极管上面加电容,直到震荡频率变为原来的1/2.则原来震荡的C值为所 加电容的1/3,知道了C就可以算R值了, R=2∏fL=1/(2∏fC)。把R加到所加C上,震荡就可以大大衰减。这时再适当调整C值的 大小,直到震荡基本被抑制。 吸收电路测试经验总结: 一、吸收电容C的影响 ▪ 1、并非吸收越多损耗越大,适当的吸收有一个效率最高点。 ▪ 2、吸收电容C的大小与吸收功率(R的损耗)呈正比关系。即:吸收功率基本上由 吸收电容决定。 二、吸收电阻R的影响 ▪ 1、吸收电阻的阻值对吸收效果干系重大,影响明显。 ▪ 2、吸收电阻的阻值对吸收功率影响不大,即:吸收功率主要由吸收电容决定。 ▪ 3、当吸收电容确定后,一个适中的吸收电阻才能达到最好的吸收效果。 ▪ 4、当吸收电容确定后,最好的吸收效果发生在发生最大吸收功率处。换言之,哪 个电阻发热最厉害就最合适。 ▪ 5、当吸收电容确定后,吸收程度对效率的影响可以忽略。 软件仿真不同阻值时的波形曲线图 [pic] 开关电源元器件选型—输出电容 1.反激式开关电源输出整流滤波电路工作状态分析 反激式开关电源输出整流滤波电路原理上是最简单的。但是,由于反激式开关电源的能 量传递必须通过变压器转换实现,变压器的初次级两侧的开关(MOSFET或整流二极管) 均工作在电流断续状态。在相同输出功率条件下,反激式开关电源的开关流过的电流峰 值和有效值大于正激式、桥式、推挽式开关电源。为了获得更低的输出电压尖峰,通常 的反激式开关电源工作在电感电流(变压器储能)断续状态,这就进一步增加了开关元 件的电流额定。 开关电源的电路拓扑对输出整流滤波电容器影响也是非常大的,由于反激式开关电源的 输出电流断续性,其交流分量需要由输出整流滤波电容器吸收,当电感电流断续时输出 整流滤波电容器的需要吸收的纹波电流相对最大。 对应的输出整流二极管的电流波形如图1,输出滤波电容器的电流波形如图2。 [pic] 图1 反激式开关电源的输出整流二极管的电流波形 [pic] 图2 输出滤波电容器的电流波形 由图1可以得到流过输出整流二极管电流峰值与平均值、有效值的关系为如下。 流过输出整流器的峰值电流与平均值电流的关系: 根据电荷相等,可以得到: [pic](1) 可以得到整流二极管电流的峰值: [pic](2) 流过输出整流器的有效值电流与峰值电流的关系: [pic](3) 流过整流器的有效值电流与平均值电流的关系: [pic](4) 式中:IrecM、Irecrms、IO、Dmax分别为流过输出整流器的峰值电流、有效值电流、平 均值电流和输出整流二极管的最大导通占空比。 流过输出滤波电容器的电流有效值略小于流过输出整流器的有效值电流。 式(2)、(3)、(4)表明,随着输出整流器导通占空比的减小,相同输出电流平均值 对应的峰值电流、有效值电流随占空比的减小而增加。 在大多数情况下,反激式开关电源工作在变压器电流临界或断续状态。在变压器电流临 界状态下,初级侧开关管导通占空比与输出整流器导通占空比相加为1。 在大多数情况下,反激式开关电源的输出整流器的最大导通占空比约为0.5。这样,流过 输出整流器的电流峰值与输出平均值电流之间的关系为: [pic](4) 有效值电流与输出电流平均值的关系为: [pic](5) 2.设计实例与分析 某反激式开关电源的技术参数为:电路图拓扑:反激式;输入电压:85Vac~264Vac工作 频率:65kHz ;输出:12V/5A;纹波电压:50mV;CLC滤波。 (1)第一级滤波电容器的选择 对于输出电流5A对应的峰值电流为20A、有效值电流为14.14A,其中大部分流入滤波电容 器。按最高温度的纹波电流2倍选用电容器,滤波电容器的纹波电流之和至少要7A。 25V/1000μF低ESR铝电解电容器的额定纹波电流约为1A,需要7只并联。如果非要5只并联 甚至4只并联,也是可以运行的,但是不具有长期可靠性。 25℃温度下,25V/1000μF低ESR铝电解电容器的ESR约为0.09Ω。7只并联对应的ESR为129m Ω、5只并联为180mΩ、4只并联为225mΩ。由电流变化在ESR上产生的峰值电压分别为2.59 V、3.60V、4.50V。除此之外,滤波电容器的ESL还会在整流二极管开通时由于电流的跃 变而产生感生电势,这个感生电势同样会加到滤波电容器上,因此,滤波电容器上的峰 值电压将不只是上述的2.59V、3.60V、4.50V。其电压波形如图3。 [pic] 图3 第一级滤波电容器的电压波形 很显然,2.59V、3.60V、4.50V是不能满足设计要求的,需要在第一级滤波电容器后面加 上一级LC低通滤波器。 (2)第二极LC低通滤波器的设计与参数选择 第二级需要考虑的是如何将不能满足要求纹波电压经过LC滤波使其满足要求。通常滤波 电感可以选择30~100μH,输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波电压是否可以满足要求, 还要考虑抑制负载电流的变化,在这里可以选择330~1000μF/25V。 开关电源元器件选型—反馈/保护部分 次级原理图 [pic] 反馈分压回路 ▪ 反馈回路采用最常用的TL431加光耦电路。 ▪ 外围元件由ZD2、R6、R15、R17、R10、R16组成。 ▪ ZD2为43V稳压管,因电流很小,工作在反向导通区。选43V是因为TL431最大的可调 节电压是36V,为了能使用这个精密可调器件,我们必须把电压降低到TL431可正常 工作的范围内。 ▪ R6为保证TL431死区电流的大小,输出电压大于7.5V时TL431死区电流可以通过光耦 发光二极管的导通提供,因此可以不加,低于7.5V时,R6=[Vout-(Vref- Vb)]/1mA Vout表示输出电压;Vref表示基准电压2.5V;Vb表示管压降0.7V。 ▪ TL431中的总偏置就接近 5mA,而经验显示这 5mA 的电流可实现足够的性能,而不会牺牲待机能耗。R15=Vout/5mA. 减小光耦LED串联电阻 R15并不会改变TL431的电流,因为 TL431 的电流由初级端反馈电流 IC 施加,通过光耦合器电流传输比(CTR)反射在 LED 中。改变 R15 值会影响中带增益,而非 TL431 偏置,因为系统采用闭环形式工作。 ▪ R17、 R10、R16组成的分压器在输出电压达到目的值时。R10与R17的节点电压刚好等于4 31内部参考电压。 反馈补偿回路 ▪ C8、C4、R19组成了431所需的回收回路补偿,以便稳定控制回路。 ▪ 稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的,如果没有足够的相位裕度和幅值裕 度,电源的动态性能就会很差或者出现输出振荡。 ▪ TL431 是开关电源次级反馈最常用的基准和误差放大器件,其供电方式不同对它的传递函 数有很大的影响,很多分析资料常常忽略这一点 输出过压保护 电路的过压保护分两级 ▪ 1、反馈回路的保护,当电压超出设定电压值反馈回路会将信息反馈到PWM控制IC, 来调节占空比限制输出电压。 ▪ 2、若反馈回路失效,输出末端加稳压二极管,当输出远高出设定电压,稳压二极 管反向击穿,使输出正负极形成短路,使初级启动短路保护或熔断保险保护。 限流电路 [pic] ▪ 限流电路由R18、U5、C17、R9、R20、R21 组成。 ▪ 工作原理:R18为回路的电流检测电阻,为了降低损耗,此电阻选择时尽量的小。 U5为运算放大器LM358,358内部由两个运放,我们将两个运放一个做放大器,一个 做比较器,将检测电阻上的电压值放大32.4倍后与基准电压做比较。当运放值低于 基准值时,比较器输出高电平(358VCC电压),当运放值高于基准电压值时,比较 器输出低电平(相对于接地). [pic] ▪ 比较器的输出为低电平后,光耦和431的节点电压会经过二极管导通到地,从而改 变光耦发光管的回路电流,光耦光电管根据电流的大小反馈信息到PWM芯片,PWM芯 片通过反馈信息调节占空比,降低输出电压来维持输出电流的大小,以此起到限流 的目的。由于占空比调节的宽度有限,过低的电压超出了变压器正常工作的频点, 实际应用中会出现变压器啸叫的情况,此状况可以调节补偿环路及变压器参数可以 解决 关于隔离器件—光耦 ▪ 光耦全称是光电耦合器,英文名字是:optical coupler,英文缩写为OC,亦称光电隔离器,简称光耦。  光耦隔离就是采用光 电耦合器进行隔离,光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一 起。  发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出, 由于没有直接的电气连接,这样既耦合传输了信号,又有隔离干扰的作用。 ▪ 光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR 、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极- 发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。 ▪ 光耦的参数都是什么含义?CTR:发光管的电流和光敏三极管的电流比的最小值CT R=IC/ IF×100% (输出电流/输入电流*100%) ▪ 隔离电压:发光管和光敏三极管的隔离电压的最小值集电极-发射极电压:集电极 -发射极之间的耐压值的最小值
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