反激式开关电源设计资料要点.pdf
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1、反激式开关电源设计资料 前言 反激式开关电源的控制芯片种类非常丰富,芯片厂商都有自己的 专用芯片,例如 UC3842、UC3845、OB2262、OB2269、TOPSWITCH 等等。虽然控制芯片略有不同, 但是反激式开关电源的拓扑结构和电 路原理基本上是一样的, 本资料以 UC3842 为控制芯片设计了一款反 激式开关电源。 单端反激式开关稳压电源的基本工作原理如下: D1 E TONTOFF LPLS T IP Q1 CO RL 图 1 反激式开关电源原理图 当加到原边主功率开关管Q1的激励脉冲为高电平使Q1导通时, 直流输入电压VIN加载原边绕组NP两端,此时因副边绕组相位是上 负下正
2、,使整流管D1 反向偏置而截止;当驱动脉冲为低电平使Q1 截止时,原边绕组NP两端电压极性反向,使副边绕组相位变为上正 下负,则整流管被正向偏置而导通, 此后存储在变压器中的磁能向负 载传递释放。因单端反激式电源只是在原边开关管到同期间存储能 量, 当它截止时才向负载释放能量, 故高频变压器在开关工作过程中, 既起变压隔离作用, 又是电感储能元件。 因此又称单端反激式变换器 是一种“电感储能式变换器” 。 学习了反激式开关电源的工作原理之后,我们可以自行设计一款 电源进行调试。 开关电源是一门实验科学, 理论知识的学习是必不可 少的,但是光掌握了理论知识是远远不够的,还要多做实验,测试不 同环
3、境不同参数下的电源工作情况,这样才能对电源有更深的认识。 除此之外,掌握大量的实验数据可以对以后设计电源和电源的优化提 供很大帮助,可以更快速更合理的设计出一款新电源或者排除一些电 源故障。通过阅读下面的章节, 可以使你对电源从原理理解到设计能 力有一个快速的提升。 第一章电源参数的计算 第一步,确定系统的参数。 我们设计一个电源首先要确定电源工 作在一个什么样的环境,比如说输入电压的范围、频率、网侧电压是 否纯净,接下来是电源的输出能力包括输出电压、电流和纹波大小等 等。先要确定这些相关因素,才能更好的设计出符合标准的电源。我 们在第二章会详细介绍如何利用这些参数设计电源。 输入电压范围(
4、Vline min 和 Vlinemax) ; 输入电压频率( fL) ; 输出电压( VO) ; 输出电流( IO) ; 最大输出功率(P0) 。 效率估计( Eff) :需要估计功率转换效率以计算最大输入功率。 如果没有参考数据可供使用, 则对于低电压输出应用和高电压输出应 用,应分别将 Eff设定为 0.80.85。 利用估计效率,可由式(1-1)求出最大输入功率。 O IN ff P P E (1-1) 第二步:确定输入整流滤波电容(CDC)和 DC 电压范围。 最大 DC 电压纹波计算: max min (1) 22 INch DC lineLDC PD V VfC (1-2) 式(
5、1-2)中,Dch为规定的输入整流滤波电容的充电占空比。其 典型值为 0.2。对于通用型输入( 85265Vrms) ,一般将 max VDC设定为 min 2Vline的 1015%。输入储能电容的容值选择可按经验算法:当电网 输入电压为100/115VAC或通用输入 85265VAC条件下,按输出功率 值的瓦特数乘上23uF;当电网输入为230VAC时,电容取值按输出 功率值的瓦特数乘上1uF 【1】 。 图 1-1:DC 电压波形 第三步:确定最大占空比(Dmax) RO MAX ROMIN V D VV (1-3) VRO副边绕组输出时反射到原边绕组上的电压,可先设定为 135V,当变
6、压器的原副边匝数确定后可再进行校正 【2】 。 第四步:确定变压器初级侧电感 反激式开关电源有两种工作模式:连续导通模式(CCM)和不 连续导通模式( DCM) 。工作模式随负载条件和输入电压的改变而改 变。因此,变压器初级侧的电感是在满载和最小输入电压的条件下确 定的。 原边一次侧电感( H) : m i n2 m a x () 2 DC m insRF VD L P f K (1-4) 式中,fs为开关频率, KRF为定义的纹波因数(如图3 所示) 。对 于 DCM 操作,K RF=1。而对于 CCM 操作 KRF1,对于通用型输入范 围,将 KRF设定在 0.30.5之间是合理的。 2
7、peak dsEDC I II(1-5) 2 2 peak max dsEDC ID =3 I+ 23 I(1-6) min max in EDC DC P I VD (1-7) min maxDC ms VD I L f (1-8) 图 1-2:MOSFET 漏电流和纹波系数(KRF) 第五步:确定合适的磁芯 因为反激式电源的功率通常较小,一般选用铁氧体磁芯作为变压 器,功率容量计算使用Ap法: 6 10 2 T PeW SmmC P AAA f BK K (1-9) 式(1-9)中, e A是磁芯截面积 (cm 2) , W A是磁芯窗口面积 (cm2) ; T P(W)是变压器的标称输出
8、功率,在计算时换成输入功率用来计算 磁芯的最大功率; Bm(Gs)磁芯工作的磁感应强度,可根据电源功率 和工况温度设定,一般取2000(Gs) ;是线圈导线的电流密度,通 常取 23(A/mm) ; 是变压器的效率, 通常取它的值为0.80.9; m K 是窗口的填充系数,一般取0.20.4; C K是磁芯的填充系数,对于铁 氧体 C K=1.0。 变压器的磁芯要留有一定的工作余量,所以计算出的 P A 值要小于实际测量的 eW AA的值 【3】 。 图 1-3 磁芯的窗口面积和有效截面积 原边峰值电流( A) : min max 2 in P DC P I VD (1-10) 变压器气隙的计
9、算 (cm): 2 8 2 0.4 10 pp g e L I l AB (1-11) 有气隙时,可工作的磁场强度H 明显增大,剩余磁感应强度 r B则 是明显减小; 对防止磁芯饱和是有效的, 这些效果对反激式变换器都 是有利的 【4】 。 第六步:变压器原边绕组匝数计算 8 10 pp p e L I N AB (1-12) p L原边最大电感( H) ; p I原边峰值电流( A) ; e A磁芯有效截面 积(cm2) ;B磁感应强度( Gs) 。 副边绕组匝数计算: max (min)max ()(1) ODp s in VVDN N VD (1-13) D V为输出整流二极管的压降,设
10、定为1V。 第七步:确定每个绕组的线径 绕组线径除了需要满足流过的最大电流外,还需要考虑趋肤深度 “ (cm)” ,线径要小于 2 倍的趋肤深度 【5】 。 6.61 f (1-14) 第八步:设计 RCD 缓冲箝位电路 图 1-4 箝位电路 图 1-5 反激时原边电压波形 21 22 peaks SN SNSNslk peaks SNo itV PVfL if VnV (1-15) sn P是箝位电路上消耗的功率; lk L原边变压的漏感,原边漏感的 测量方法是将所有副边绕组短路后测量出的原边电感值; o nV= RO V是 副边反射到原边的电压; peak i为原边峰值电流; s f为电源
11、工作频率。 2 21 2 SN SN SN lkpeaks SNo V R V L if VnV (1-16) SN SN SNSNs V V CRf (1-17) SN V箝位电容上的脉动电压,通常为箝位电压 SN V的 510%,通 过公式可以算出箝位电阻 sn R和箝位电容 sn C。把尖峰电压的最高值箝 位在设定范围内,这样可以防止MOSFET 被电压尖峰击穿,延长使 用寿命,但是不能把箝位电压设计的太低,因为反激过冲电压也有有 用的一面。在反激作用时, 它提供一个附加强制电压值来驱动电能进 入副边电感, 使变压器副边反激电流迅速增加,提高了变压器的传输 效率,同时减小了电阻上的损耗,
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- 反激式 开关电源 设计 资料 要点
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