步驟1 確定開關(guān)電源的基本參數(shù)
① 交流輸入電壓最小值umin
② 交流輸入電壓最大值umax
③ 電網(wǎng)頻率Fl 開關(guān)頻率f
④ 輸出電壓VO(V):已知
⑤ 輸出功率PO(W):已知
⑥ 電源效率η:一般取80%
⑦ 損耗分配系數(shù)Z:Z表示次級(jí)損耗與總損耗的比值,Z=0表示全部損耗發(fā)生在初級(jí),Z=1表示發(fā)生在次級(jí)。一般取Z=0.5
步驟2 根據(jù)輸出要求,選擇反饋電路的類型以及反饋電壓VFB
步驟3 根據(jù)輸入電壓u(例如:220V),PO值確定輸入濾波電容CIN、整流后直流輸入電壓最小值VImin
① 令整流橋的響應(yīng)時(shí)間tc=3ms
② 根據(jù)u,查出CIN值(查表,得出經(jīng)驗(yàn)值)
③ 得到VImin(例如,交流220V,整流后直流電壓)確定CIN,VImin值
u(V) | PO(W) | 比例系數(shù)(μF/W) | CIN(μF) | VImin(V) |
固定輸入:100/115 | 已知 | 2~3 | (2~3)×PO | ≥90 |
通用輸入:85~265 | 已知 | 2~3 | (2~3)×PO | ≥90 |
固定輸入:230±35 | 已知 | 1 | PO | ≥240 |
對(duì)于輸入濾波電容的選擇介紹的是,經(jīng)過整流橋后的濾波電容。220V/50HZ的交流市電,經(jīng)過整流橋后變成了‘饅頭波’,很顯然這個(gè)沒有經(jīng)過電容濾波的電壓是不能給后面負(fù)載用的。整流橋后的電容把‘饅頭波’變成了直流電壓,濾波電容在這里相當(dāng)于一個(gè)大水缸,起到濾波和儲(chǔ)能的作用。這個(gè)電容一般會(huì)選擇一個(gè)大的鋁電解電容用來儲(chǔ)能以及濾除低頻干擾,再并聯(lián)上一個(gè)小的CBB電容用來濾除高頻干擾也可以降低輸入的阻抗值。鋁電解電容的大小一般是按照輸入功率來選擇的2uF/W,一般會(huì)留有2倍的余量。由于市電經(jīng)過整流橋后的電壓高達(dá)370V,所以選擇的電容耐壓值要大于這個(gè)值。本次選擇的是100uF/400V的鋁電解電容。
步驟4 根據(jù)u,確定VOR、VB
① 根據(jù)u由表查出VOR、VB值
② 由VB值來選擇TVS
u(V) | 初級(jí)感應(yīng)電壓VOR(V) | 鉗位二極管????????????? 反向擊穿電壓VB(V) | ? |
? | |||
固定輸入:100/115 | 60 | 90 | ? |
通用輸入:85~265 | 135 | 200 | ? |
固定輸入:230±35 | 135 | 200 | ? |
大家都知道電感電流不能突變,因此線圈兩端將會(huì)產(chǎn)生很高的電壓,U=Ldi/dt(本文忽略電位參考方向,均以正值表示)。
如果我們?cè)偌右粋€(gè)繞組,根據(jù)電磁感應(yīng)知識(shí),顯然上圖中左邊線圈通I后,右邊線圈上端將感應(yīng)正電壓,但是由于二極管反向,所以無(wú)電流流過次級(jí)線圈。
那么此時(shí)電流I突然消失會(huì)怎樣了?
此時(shí)由于次級(jí)線圈的存在,初級(jí)電流將按匝數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換到次級(jí)線圈,即右邊線圈下端感應(yīng)正電壓,二極管導(dǎo)通,將會(huì)有電流流過右邊的線圈。
通常我們所說的電感電流不能突變,僅僅是針對(duì)單繞組電感而言的,其本質(zhì)是磁通不能突變或能量不能突變。所以對(duì)于多繞組電感而言,一定要記住其本質(zhì)是什么。
當(dāng)次級(jí)線圈有電流流過試圖維持磁芯中磁通量的時(shí)候,初級(jí)線圈又會(huì)感應(yīng)到一定的電壓,下正上負(fù),此電壓即我們通常說的反射電壓Vor。此反射電壓Vor與次級(jí)線圈的電壓是滿足匝比關(guān)系的。在反激拓?fù)渲校跫?jí)線
圈上端接的是母線電壓Vin,所以初級(jí)線圈下端電壓即在Vin基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)Vor電壓。
總的來說,必須對(duì)反射電壓有所了解,才能順利開展后面的相關(guān)計(jì)算。而理解這些問題的關(guān)鍵,就是在于對(duì)磁通(能量)的深刻理解,并保持不能夠突變,其余的同樣按照這個(gè)過程進(jìn)行推導(dǎo)即可。
步驟5 根據(jù)Vimin和VOR來確定最大占空比Dmax
① 設(shè)定MOSFET的導(dǎo)通電壓VDS(ON)
② 應(yīng)在u=umin時(shí)確定Dmax值,Dmax隨u升高而減小
步驟6 確定初級(jí)紋波電流IR與初級(jí)峰值電流IP的比值KRP,KRP=IR/IP
u(V) | KRP | |
最小值(連續(xù)模式) | 最大值(不連續(xù)模式) | |
固定輸入:100/115 | 0.4 | 1 |
通用輸入:85~265 | 0.4 | 1 |
固定輸入:230±35 | 0.6 | 1 |
步驟7 確定初級(jí)波形的參數(shù)
步驟8 根據(jù)電子數(shù)據(jù)表和所需IP值選擇TOPSwitch芯片
對(duì)于設(shè)計(jì)一款電源電路來說,首先是要選擇一款電源管理芯片,然后是設(shè)計(jì)變壓器和反饋電路部分,最后是電路板的上電調(diào)試。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,電源管理芯片做的也是越來越好。現(xiàn)在設(shè)計(jì)一款開關(guān)電源只需要選好電源芯片,然后按照芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)把電路搭出來其基本工作就完成了一半,接下來就是調(diào)試電源的各項(xiàng)參數(shù)了,不像以前集成電路技術(shù)不是很成熟的時(shí)候,那時(shí)還沒有電源管理芯片,需要自己用三極管等元件搭建電源芯片所實(shí)現(xiàn)的功能電路。
①考慮電流熱效應(yīng)會(huì)使25℃下定義的極限電流降低10%,所選芯片的極限電流最小值ILIMIT(min)應(yīng)滿足:0.9 ILIMIT(min)≥IP
步驟9和10 計(jì)算芯片結(jié)溫Tj
①按下式結(jié)算:
Tj=[I2RMS×RDS(ON)+1/2×CXT×(VImax+VOR) 2 f ]×Rθ+25℃式中CXT是漏極電路結(jié)點(diǎn)的等效電容,即高頻變壓器初級(jí)繞組分布電容
②如果Tj>100℃,應(yīng)選功率較大的芯片
步驟11 驗(yàn)算IP IP=0.9ILIMIT(min)
① 輸入新的KRP且從最小值開始迭代,直到KRP=1
② 檢查IP值是否符合要求
③ 迭代KRP=1或IP=0.9ILIMIT(min)
步驟12 計(jì)算高頻變壓器初級(jí)電感量LP,LP單位為μH
步驟13 選擇變壓器所使用的磁芯和骨架,查出以下參數(shù):
① 磁芯有效橫截面積Sj(cm2),即有效磁通面積。
② 磁芯的有效磁路長(zhǎng)度l(cm)
③ 磁芯在不留間隙時(shí)與匝數(shù)相關(guān)的等效電感AL(μH/匝2)
④ 骨架寬帶b(mm)
步驟14 為初級(jí)層數(shù)d和次級(jí)繞組匝數(shù)Ns賦值
① 開始時(shí)取d=2(在整個(gè)迭代中使1≤d≤2)
② 取Ns=1(100V/115V交流輸入),或Ns=0.6(220V或?qū)挿秶涣鬏斎?
③ Ns=0.6×(VO+VF1)
④ 在使用公式計(jì)算時(shí)可能需要迭代
步驟15 計(jì)算初級(jí)繞組匝數(shù)Np和反饋繞組匝數(shù)NF
步驟16~步驟22 設(shè)定最大磁通密度BM、初級(jí)繞組電流密度J、磁芯的氣隙寬度δ,進(jìn)行迭代。
步驟23 確定次級(jí)參數(shù)ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm
步驟24 確定V(BR)S、V(BR)FB
① 次級(jí)整流管最大反向峰值電壓V(BR)SV(BR)S=VO+VImax×NS/NP
② 反饋級(jí)整流管最大反向峰值電壓V(BR)FBV(BR)FB=VFB+ VImax×NF/NP
步驟25選擇鉗位二極管和阻塞二極管
步驟26 選擇輸出整流管
步驟27 利用步驟23得到的IRI,選擇輸出濾波電容COUT
① 濾波電容COUT在105℃、100KHZ時(shí)的紋波電流應(yīng)≥IRI
② 要選擇等效串連電阻r0很低的電解電容
③ 為減少大電流輸出時(shí)的紋波電流IRI,可將幾只濾波電容并聯(lián)使用,以降低電容的r0值和等效電感L0
④ COUT的容量與最大輸出電流IOM有關(guān)
步驟28~29 當(dāng)輸出端的紋波電壓超過規(guī)定值時(shí),應(yīng)再增加一級(jí)LC濾波器
① 濾波電感L=2.2~4.7μH。當(dāng)IOM<1A時(shí)可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠;大電流時(shí)應(yīng)選用磁環(huán)繞制成的扼流圈。
② 為減小L上的壓降,宜選較大的濾波電感或增大線徑。通常L=3.3μH
③ 濾波電容C取120μF /35V,要求r0很小
步驟30 選擇反饋電路中的整流管
步驟31 選擇反饋濾波電容
反饋濾波電容應(yīng)取0.1μF /50V陶瓷電容器
步驟32 選擇控制端電容及串連電阻
控制端電容一般取47μF /10V,采用普通電解電容即可。與之相串連的電阻可選6.2Ω、1/4W,在不連續(xù)模式下可省掉此電阻。
步驟33 選定反饋電路
反饋元件主要是光耦和431的選擇,光耦要選擇線性光耦,431在選擇的時(shí)候要注意431的參考電壓是多少(有1.25V的也有2.5V的)。開關(guān)電源的光耦主要是隔離、提供反饋信號(hào)和開關(guān)作用。開關(guān)電源電路中光耦的電源是從高頻變壓器次級(jí)電壓提供的,當(dāng)輸出電壓低于穩(wěn)壓管電壓時(shí)給信號(hào)光耦接通,加大占空比,使得輸出電壓升高;反之則關(guān)斷光耦減小占空比,使得輸出電壓降低。一旦高頻變壓器次級(jí)負(fù)載超載或開關(guān)電路有故障,就沒有光耦電源提供,光耦就控制著開關(guān)電路不能起振,從而保護(hù)開關(guān)管不至被擊穿燒毀。TL431是TI公司生產(chǎn)的一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref(2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值。
本次選擇的光耦是EL1018,正向電流有60mA,正向電壓1.5V。EL1018具有超高的爬電距離:大于8mm,符合最新安規(guī)5000米海拔要求;絕緣電壓可達(dá)5Kvrms,符合最新安規(guī)5000米海拔要求;超低輸入啟動(dòng)電流(1mA),超低功耗驅(qū)動(dòng);符合最新的所有安規(guī)及環(huán)保要求。
本次選擇的TL431的參考電壓為2.5V。
步驟34 選擇輸入整流橋
步驟35 設(shè)計(jì)完畢
在所有的相關(guān)參數(shù)中,只有3個(gè)參數(shù)需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行檢查并核對(duì)是否在允許的范圍之內(nèi)。它們是最大磁通密度BM(要求BM=0.2T~0.3T)、磁芯的氣隙寬度δ(要求δ≥0.051mm)、初級(jí)電流密度J(規(guī)定J=4~10A/mm2)。這3個(gè)參數(shù)在設(shè)計(jì)的每一步都要檢查,確保其在允許的范圍之內(nèi)。
審核編輯:湯梓紅
評(píng)論
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