反激式開關(guān)電源設(shè)計思考(1)

1、反激式開關(guān)電源設(shè)計的思考一 對一般變壓器而言,原邊繞組的電流由兩部分組成,一部分是負(fù)載電流分量,它的大小與副邊負(fù)載有關(guān);當(dāng)副邊電流加大時,原邊負(fù)載電流分量也增加,以抵消副邊電流的作用.另一部分是勵磁電流分量,主要產(chǎn)生主磁通,在空載運行和負(fù)載運行時,該勵磁分量均不變化. 勵磁電流分量就如同抽水泵中必須保持有適量的水一樣,若抽水泵中無水,它就無法產(chǎn)生真空效應(yīng),大氣壓就無法將水壓上來,水泵就無法正常工作;只有給水泵中加適量的水,讓水泵排空,才可正常抽水.在整個抽水過程中,水泵中保持的水量又是不變的.這就是,勵磁電流在變壓器中必須存在,并且在整個工作過程中保持恒定. 正激式變壓器和上述基本一樣,初級繞

2、組的電流也由勵磁電流和負(fù)載電流兩部分組成;在初級繞組有電流的同時,次級繞組也有電流,初級負(fù)載電流分量去平衡次級電流,激勵電流分量會使磁芯沿磁滯回線移動.而初次級負(fù)載安匝數(shù)相互抵消,它們不會使磁芯沿磁滯回線來回移動,而勵磁電流占初級總電流很小一部分,一般不大于總電流10%,因此不會造成磁芯飽和. 反激式變換器和以上所述大不相同,反激式變換器工作過程分兩步: 第一:開關(guān)管導(dǎo)通,母線通過初級繞組將電能轉(zhuǎn)換為磁能存儲起來; 第二:開關(guān)管關(guān)斷,存儲的磁能通過次級繞組給電容充電,同時給負(fù)載供電. 可見,反激式變換器開關(guān)管導(dǎo)通時,次級繞組均沒構(gòu)成回路,整個變壓器如同僅有一個初級繞組的帶磁芯的電感器一樣,此時

3、僅有初級電流,轉(zhuǎn)換器沒有次級安匝數(shù)去抵消它.初級的全部電流用于磁芯沿磁滯回線移動,實現(xiàn)電能向磁能的轉(zhuǎn)換;這種情況極易使磁芯飽和. 磁芯飽和時,很短的時間內(nèi)極易使開關(guān)管損壞.因為當(dāng)磁芯飽和時,磁感應(yīng)強(qiáng)度基本不變,dB/dt近似為零,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,將不會產(chǎn)生自感電動勢去抵消母線電壓,初級繞組線圈的電阻很小,這樣母線電壓將幾乎全部加在開關(guān)管上,開關(guān)管會瞬時損壞. 由上邊分析可知,反激式開關(guān)電源的設(shè)計,在保證輸出功率的前提下,首要解決的是磁芯飽和問題. 如何解決磁芯飽和問題?磁場能量存于何處?將在下一篇文章:反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計的思考二中討論. 反激式開關(guān)電源設(shè)計的思考二 “反激式開關(guān)電源設(shè)計

4、的思考一”文中,分析了反激式變換器的特殊性防止磁 芯和的重要性,那么如何防止磁芯的飽和呢?大家知道增加氣隙可在相同B的 情況下,IW的變化范圍擴(kuò)大許多,為什么氣隙有此作用呢? 由全電流定律可知: 由上例可知,同一個磁芯在電流不變的條件下,僅增加1mm氣隙,加氣隙的磁 感強(qiáng)度僅為不加氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度的4.8%,看來效果相當(dāng)明顯. 加了氣隙后,是否會影響輸出功率呢?換句話說,加了氣隙變壓器還能否儲 原來那些能量呀?看一下下面的例子就知道了: 在“思考一”一文中已討論過,當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時,次級繞組均不構(gòu)成 回路,此 時,變壓器象是僅有一個初級繞組帶磁芯的電感器一樣,母線將次級需要的全部 能量都存在這個

5、電感器里.如下圖1就是一個有氣隙的電感器: 圖1表示一個磁芯長為lm,氣隙長為lg,截面積為Ae的磁芯,在其上繞N匝線圈, 當(dāng)輸入電壓為Ui時,輸入功率為Wi: 6式右邊的積分為圖2中陰影部分面積A,即就是說: 磁場能量的大小等于磁化曲線b和縱軸所圍成的面積大小.圖1中,假定磁路 各部分的面積相等,磁芯各部分的磁場強(qiáng)度為Hm,氣隙部分的磁場強(qiáng)度為Hg,由 全電流定律得: 11式右邊第一項是磁芯中的磁場能量,第二項是氣隙部分的磁場能量,分別用 Wi和Wg表示;那么: 圖3中,曲線m表示圖1電感器無氣隙時的磁化曲線,曲線g表示有氣隙時的磁 化曲線.圖中,面積Am表示儲存在磁芯部分的磁場能量;面積A

6、g表示儲存在氣隙 部分的磁場能量.上面講了氣隙的作用以及磁場能量在變壓器中的分布,那么, 根據(jù)輸出功率如何選用磁芯呢?將在反激式開關(guān)電源設(shè)計思考三中討論. 反激式開關(guān)電源設(shè)計的思考三(磁芯的選取) 在DCM狀態(tài)下選擇: Uin-電源輸入直流電壓 Uinmin-電源輸入直流電壓最小值 D-占空比 Np-初級繞組匝數(shù) Lp-初級繞組電感量 Ae-磁芯有效面積 Ip-初級峰值電流 f-開關(guān)頻率 Ton-開關(guān)管導(dǎo)通時間 I-初級繞組電流有效值 -開關(guān)電源效率 J-電流密度 通過(3)式可方便計算出反激式開關(guān)電源在電流斷續(xù)模式 時磁芯的AeAw值,通過查廠商提供的磁芯參數(shù)表就可選擇 合適的磁芯,在選擇磁

7、芯時要留一定的余量. 例如:有一反激式開關(guān)電源輸出功率為10W,開關(guān)頻率為 40KHz, B為0.16T,電流密度取4.5A/mm2磁芯選用EE系列, 那么由公式(3)可知: 考慮到實際繞線的絕緣層等的影響,須考慮填充系數(shù)(取0.8), 即: Ap = AeAw/0.8=1.7361000 / 0.8 = 2207.5 通過上面計算,EE19磁芯比較接近,考慮到輔助繞組和 其他因素選擇EE20磁芯. 為計算方便,(3)式可修正為: Ap = AwAe = 6500P0 / (BJf) (4) 單位: P0- 瓦特; B - 特斯拉 J - 安培/平方毫米 f - 千赫茲 Ap -毫米的四次方

8、在實際使用中一定要注意公式的應(yīng)用條件,公式(4)是在 單端反激式開關(guān)電源電流斷續(xù)模式下推導(dǎo)出來的,并且用 了一系列假設(shè): 1窗口使用系數(shù)SF:0.4 2初級繞組面積Ap = 次級繞組面積 As 3當(dāng)直流輸入電壓最低時Dm=0.5 4電源效率= 0.8 5填充系數(shù)為0.8 因此,該計算值在使用中要根據(jù)實際情況酌情修正,并且作 為我們選擇磁芯的一個大致參考,由于工藝的原因必須通過 實踐驗證而最終確定. 另外單端反激式開關(guān)電源中,他激式和自激式的效率差別 比較大,一般自激式的效率比較低,大概在0.7左右,使用 公式(4)時要乘以(0.8/0.7=)1.15進(jìn)行修正. 磁芯選好后,在反激式開關(guān)電源設(shè)計

9、過程中應(yīng)該遵循的規(guī)則 將在反激式開關(guān)電源設(shè)計的思考四中討論. 反激式開關(guān)電源設(shè)計的思考四 -反激式開關(guān)電源設(shè)計應(yīng)遵循的規(guī)則 由于反激式開關(guān)電源的特殊性,在設(shè)計時要特別考慮的問 題就多一些,歸納起來有如下幾點: 一、任何時刻開關(guān)管上所承受的電壓都要低于它所能夠承受 的最大電壓,并且要有足夠的安全裕量; 以此為出發(fā)點,就確定了變壓器的變化; Ucemax = Uinmax + NUo + Upk + Uy 式中:Ucemax-開關(guān)管所能承受的最大電壓 N-變比初級匝數(shù)Np / 次級匝數(shù)Ns Uin-直流輸入電壓最大值 Uo-輸出電壓 Upk-漏感所產(chǎn)生的電壓 Uy-電壓裕量 此式很重要一點,就是確

10、定了變比N,變比一確定一系列 問題就確定下來;比如: 反射電壓:VoR NVo; 占空比: D= VoR /( Vin +VoR); 導(dǎo)通時間:Ton = DT 變比一定要選擇合適,以使電路達(dá)到優(yōu)化;若使用雙極型 晶體管對其基電極的控制很重要,因為它影響著Vcemax的 大小:VcesVcerVceo;在ce間承受最高電壓時最好保證 be結(jié)短接或者反偏,此時晶體管就可承受較高的反偏電壓. 二、任何時刻都應(yīng)保證磁芯不飽和; 由于反激式開關(guān)變壓器的特殊性,磁芯飽和問題在反激式 變換器的設(shè)計中尤為重要.一旦磁芯飽和,開關(guān)管瞬間就 會損壞.為防止磁芯飽和反激式開關(guān)變壓器磁芯一般都留 氣隙,顯著擴(kuò)大磁場

11、強(qiáng)度的范圍,但僅靠氣隙并不能完全 解決磁芯飽和的問題,由磁感應(yīng)定律很容易得出: 由(1)式知: 磁感應(yīng)強(qiáng)度與輸入電壓和導(dǎo)通時間有關(guān).在輸入電壓一 定時,由反饋電路保證Ton的合適值. 在工作過程中,根據(jù)磁飽和的形式分兩種情況: 一種是:一次性飽和: 當(dāng)反饋環(huán)路突然失控時,在一個周期內(nèi)導(dǎo)通一直持續(xù), 直到過大的Ip使磁芯飽和而使開關(guān)管立即損壞; 另一種是:逐次積累式飽和: 磁芯每個周期都有置位與復(fù)位動作,反激式開關(guān)電源磁 芯置位是由初級繞組來實現(xiàn),磁芯復(fù)位是由次級繞組和 輸出電路來實現(xiàn).當(dāng)電路等設(shè)計不當(dāng)時,每次磁芯不能 完全復(fù)位,一次次的積累,在若干周期內(nèi)磁芯飽和.就像 吹氣不一樣,一口氣吹破就

12、相當(dāng)磁芯一次性飽和;每吹一 次,就排氣,但每次排氣量都比進(jìn)氣量少一點,這樣循環(huán) 幾次后,氣球就會被撐破的;若每次充排氣量相同,氣球 就不會破的,磁芯也是如此,如下圖: 磁芯從abc為置位,從cda為復(fù)位,每個周期都要 回到a,磁芯就不會飽和.對于反激式開關(guān)電源的斷續(xù)模 式,磁芯復(fù)位一般是不成問題的. 三、始終保持變換器工作于一個模式如CCM或DCM;不要在兩 個模式之間轉(zhuǎn)換,這兩種模式不同,對反饋回路的調(diào)節(jié) 電路要求也不同,在考慮某一種模式而設(shè)計的調(diào)節(jié)電路, 如運行到另一模式時易引起不穩(wěn)定或者性能下降. 四、保證最小導(dǎo)通時間不接近雙極性開關(guān)管的存儲時間;( MOSFET管例外) 在設(shè)計反激式開

13、關(guān)電源時,特別在開關(guān)電源 頻率較高 、直流輸入電壓最高,負(fù)載又較輕時,開關(guān)導(dǎo)通時間 Ton最小,若這個時間接近或小于雙極性晶體管的存儲時 間(0.5s1.0s)時,極易造成開關(guān)管失控,而使磁 芯飽和.此時就要重新審視開關(guān)頻率的選擇,或能否工作 于如此高電壓或者通過調(diào)節(jié)占空比來適應(yīng).或者選用其 他電路拓?fù)? 五、不要將變換器的重要元件的參數(shù)選得接近分布參數(shù);具 體來說,電阻不要太大,電容器和電感器不要太小. (1)許多反激式開關(guān)電源都有一個振蕩頻率,由IC芯片提供 ,如UC3842,由RC決定,當(dāng)把R選擇太大,C太小時,就 易使穩(wěn)定性特別差;如電容C小得接近分布參數(shù),也就是 說 取掉該電容由線路

14、板及其它元件間的分布參數(shù)而形成 的容值都和所選的電容容值差不多;或者所選電阻太大以 至于線路板上的漏電流所等效的阻值都和所選的電阻大小 差不多;這將 造成工作不穩(wěn)定,如溫度或濕度變化時其 分布參數(shù)也跟著變化,嚴(yán)重影響振蕩的穩(wěn)定性.R一般 不要大于1M歐,C一般不要小于22PF. (2)反激式開關(guān)電源的輸出功率如下式:(DCM) 由(2)式可知: 在電流斷續(xù)模式時,當(dāng)電壓和頻率固定的情況下,輸出功 率和變壓器的初級電感成反比.即要增加功率就要減小初 級繞組的電感量.反激式開關(guān)變壓器的特殊性:當(dāng)開關(guān)管 導(dǎo)通時變壓器相當(dāng)于僅有初級繞組的一個帶磁芯的電感器 ,當(dāng)這個電感器小到一定值時就不可太小了,當(dāng)小

15、至和分 布電感值差不多時,這樣變壓器的參數(shù)就沒有一致性,工 作穩(wěn)定性差,可能分布參數(shù)的變化都會使整個電感值變化 一少半,電路的可靠性就無從談起.初級電感值至少應(yīng)是 分布電感的10倍以上. (3)同樣道理,磁芯的氣隙也不可選的太少,太小的話,磁 芯稍微的變動(如熱脹冷縮)對氣隙來說都顯得占的比例 很大,這樣的變壓器就無一致性可言,更無法批量生產(chǎn). 六、反激式變換器的輸出濾波電容比起其它拓?fù)湫问降碾娐?所受的沖擊更大,它的選擇好壞對整個電源的性能及壽命 有舉足輕重的作用.選擇時,一般是按紋波電壓要求初 選電容值,用電容的額定紋波電流確定電容值,這樣比 較安全穩(wěn)妥.當(dāng)然,耐壓值和溫度等級也要足夠.

16、七、降低損耗,遏制溫升,提高效率,延長壽命 開關(guān)電源內(nèi)部的損耗主要分四個方面: (1)開關(guān)損耗如:功率開關(guān),驅(qū)動; (2)導(dǎo)通損耗如:輸出整流器,電解電容中電阻損耗; (3)附加損耗如:控制IC,反饋電路,啟動電路,驅(qū)動電 路; (4)電阻損耗如:預(yù)加負(fù)載等; 在反激式開關(guān)電源中,功率開關(guān)和驅(qū)動以及輸出整流部 分占損耗的90%多,磁性元件占5%,其它占5%; 損耗 直接影響效率,更影響電源的穩(wěn)定性和工作壽命.損耗 都以發(fā)熱而表現(xiàn)出來,晶體管和電容和磁性元件都對溫 度很敏感;下面看一下溫度的影響: (1)溫度每升高10,電解電容的壽命就會減半 (2)在高溫和反向電壓接近額定值時,肖特基二極管的漏

17、電 很嚴(yán)重,就像陰陽極通路一樣; (3)通用磁性材料,從25到100飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度下降30% 左右;在這里,磁性材料的損耗雖然說占比例很小但是它 對整個開關(guān)電源的影響非常大.比如在正常工作時,設(shè)計 的最大磁通密度偏大,由于溫升的原因?qū)⑹癸柡痛鸥袘?yīng)強(qiáng) 度下降,再加上反饋回路的延遲效應(yīng)而使導(dǎo)通時間加長, 極易使磁芯飽和,瞬間開關(guān)管損壞.在此設(shè)計時,最好保 證銅耗接近于磁耗,初級繞組的銅耗接近于次級繞組的銅 耗以達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計防止磁芯過渡溫升. (4)MOSFET管,每升高25,柵極閥值電壓下降5%;MOSFET 管的最大節(jié)點溫度時150,節(jié)點溫度的理想值為105, 最高不要超過125;MOSFE

18、T管,Rds隨溫度的升高而增大. (5)雙極型晶體管,隨溫度的升高,Vce而減小,在環(huán)境溫度 較高或接近最高結(jié)溫時,晶體管的實際最高耐壓會有所下 降,并且漏電流會更進(jìn)一步增加,很易造成熱損耗.所以 ,在設(shè)計時,盡可能降低元件本身損耗而造成的溫升,也 要注意遠(yuǎn)離熱源,不因外界原因而造成溫升.更要優(yōu)化設(shè) 計減小損耗,提高效率,延長元器件及整個電源的工作壽 命. 反激式開關(guān)電源設(shè)計的思考五 -常用公式的理解 在反激式開關(guān)電源設(shè)計之前,我們必須對要用到的公式有所了解,這樣不 至于造成不管公式適用條件如何,拿來就用,以致看似合理實則差之遠(yuǎn)矣. 下面將在反激式開關(guān)電源設(shè)計中常用的公式分析如下: 再講電源設(shè)

19、計用公式前先看一看一些基本的知識. 一、基本知識 1.磁場的產(chǎn)生: 磁場是由運動電荷產(chǎn)生的,變壓器磁芯中的磁場是由繞組中的傳導(dǎo)電流產(chǎn)生 ,磁鐵的磁場是由“分子電流”產(chǎn)生. 2.右手定則 右手定則用于判斷通電螺線管的磁極(N極/S極,或者說磁力線的方向), 用右手握住螺線管,彎曲的四指沿電流回繞方向?qū)⒛粗干熘?這時拇指指向 螺線管的N極或者磁力線的方向. 3.磁感應(yīng)強(qiáng)度B 磁場是由運動電荷產(chǎn)生的,同時,運動的電荷在磁場中又會受到力的作用. 由此,人們通過在磁場中運動的電荷所受磁場力的大小來反映磁場的強(qiáng)弱; 讓不同電量(q0)的電荷,在垂直磁場的方向以不同的速度運動,該電荷 就會受力,雖然電荷在各

20、點受磁場力的大小不同,但是力與電荷量以及速度 的比值在同一點卻是相同的,唯一的,這個值就反映了該點磁場的強(qiáng)弱.因 此: B F / q.v (1) 該式的物理意義為:磁場中某點的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小,在數(shù)值上等于單位 正電荷,以單位速度沿垂直磁場方向運動時,所受力的大小.磁感應(yīng)強(qiáng)度的 單位: 4.磁通量 磁場不僅有強(qiáng)弱還有方向,用磁力線能很好的表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向,磁力 線是一些圍繞電流的閉合線,沒有起點也沒有終點的曲線.把垂直穿過一個 曲面的磁感應(yīng)線的條數(shù)稱為穿過該面的磁通量.用表示.也形象的將磁感 應(yīng)強(qiáng)度稱為磁通密度,兩者關(guān)系如下: BS (2) 磁通的單位:1Tm2 = 1Wb(韋伯) 5

21、.磁場強(qiáng)度H 既然點電荷之間的相互作用服從庫侖定律,那么,庫侖認(rèn)為點磁荷也應(yīng)有類 似的定律. 此式為磁的庫侖定律; 既然電場強(qiáng)弱可通過點電荷去測量,那么磁場的強(qiáng)弱也就可用點磁荷來測量 ,類似的,把點磁荷放在磁場中,根據(jù)其受力的大小就可反映該點磁場的強(qiáng) 弱,因此就引入了磁場強(qiáng)度的物理量H H F/qm0 (4) 該式中F是試探點磁荷qm0在磁場某點所受的力,該式的物理意義:磁場中某 點的磁場強(qiáng)度H的大小在數(shù)值上等于單位磁荷在該點所受到的磁場力的大小 . 6.安培環(huán)路定理 磁感應(yīng)線是套連在閉合載流回路上的閉合線,若取磁感應(yīng)強(qiáng)度沿磁感應(yīng)線的 環(huán)路積分,則磁感應(yīng)強(qiáng)度沿任何閉合環(huán)路L的線積分,等于穿過這

22、個環(huán)路所 有電流的代數(shù)和的0倍. (L)Bdl =0I (5) 在有磁介質(zhì)時,安培環(huán)路定律表示為: LBdl =0(I +Is) (6) (6)式中:Is-為磁化電流 I -傳導(dǎo)電流 介質(zhì)內(nèi)任何曲面S的磁化電流強(qiáng)度 Is為 Is LM dl (7) (7)式中,M為磁化強(qiáng)度,在數(shù)值上等于磁化面電流密度 代(7)式入(6)式得: LBdl =0(I +LM dl) 或:L( -M)dl =I 令:H -M 則:LHdl =I(8) (8)式表示: 磁場強(qiáng)度沿任一閉合路徑的線積分只與傳導(dǎo)電流有關(guān).也說明傳導(dǎo)電流確定 以后,不論磁場中放進(jìn)什么樣的磁介質(zhì),也不論磁介質(zhì)放在何處,磁場強(qiáng)度 的線積分都只與

23、傳導(dǎo)電流有關(guān). 因而,引入磁場強(qiáng)度H這個物理量后,就可繞過磁介質(zhì)磁化,磁化電流等不 方便測量、處理等一系列問題,而可方便的從宏觀上處理磁介質(zhì)的存在時的 磁場問題. 7.磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度H的關(guān)系 磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度都是反映磁場強(qiáng)弱和方向的物理量. 磁感應(yīng)強(qiáng)度是根據(jù)在磁場中垂直運動的電荷受力這個特點出發(fā),通過運動電 荷在磁場中受力大小及方向反映磁場的強(qiáng)弱及方向的. 磁場強(qiáng)度是根據(jù)兩個磁荷間總有作用力這個特點為出發(fā)點,通過在磁場中放 探試點磁荷,根據(jù)點磁荷在該點受力大小和方向來反映磁場的強(qiáng)弱及方向的 . 也就是說,由于人們對磁的認(rèn)識的觀點不同而使對同一個物理現(xiàn)象用不同的 物理量來描述的.在磁

24、荷觀點中,為描述磁場的強(qiáng)弱而引入了磁場強(qiáng)度H, 而磁感應(yīng)強(qiáng)度B是作為輔助量引入的;相反,在分子電流觀點中,為描述磁 場的強(qiáng)弱而引入了磁感應(yīng)強(qiáng)度B,而磁場強(qiáng)度H時作為輔助量引入的. 引入磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度都只是表示磁場在某點的強(qiáng)弱及大小,磁場是自 然存在的,它在某點的大小和方向是客觀存在的,不會因為表示的方法不同 而有所改變. 由磁場強(qiáng)度H的定義式可知: 上式中:0-絕對磁導(dǎo)率 r-相對磁導(dǎo)率 -磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率 8.法拉第電磁感應(yīng)定律 穿過單匝導(dǎo)線回路的磁通量變化時,會在導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,感應(yīng) 電動勢的大小與穿過回路磁通量的變化率d/ dt 成正比. -K d/ dt (12) 若全采

25、用國際單位制,K1 -d/ dt 當(dāng)為N匝導(dǎo)線組成的回路時 -N d/ dt (13) 法拉第電磁感應(yīng)定律表明,決定感應(yīng)電動勢大小的是磁通隨時間的變化率, 而不是磁通量本身的大小,也就是說保持恒定大小的磁通量是不會產(chǎn)生感應(yīng) 電動勢的. 9.自感系數(shù)L 對于密繞N匝的線圈,電流I在各匝線圈中產(chǎn)生的磁通基本相同,線圈產(chǎn)生的 自感電動勢為: (14)式說明了自感電動勢與自感磁鏈的關(guān)系,而自感磁鏈與線圈中的電 流成正比: L I (15) 式中,系數(shù)L稱為自感系數(shù),I與均為由方向性的物理量,在合適的符號規(guī) 定下,可保證自感磁鏈與電流同時為正或同時為負(fù),因而保證自感系數(shù)恒為 正. 代(15)入(14)得

26、: 由該式可知,自感系數(shù)L在數(shù)值上等于單位電流引起的自感磁鏈,但是自感 系數(shù)就象電阻器的電阻一樣,是該器件本身的一種屬性,是自然存在的,和 是否有電流流過以及電流大小都無關(guān),它只決定于線圈本身的大小,形狀以 及周圍介質(zhì)等因素. 10.有效值,平均值(以電流為例) 11.次級有效值,平均值(以電流為例) 二、開關(guān)電源設(shè)計部分相關(guān)公式: 1.變比/匝數(shù)比:N N Np / Ns (20) 但是在設(shè)計變壓器之前并不知道初次級線匝匝數(shù),匝數(shù)比的確定很大程度上 取決于開關(guān)管的耐壓值,由于輸入最高直流電壓,變壓器的漏感和反射電壓 一起確定了開關(guān)管在截止瞬間所要承受的最大的電壓值,其中反射電壓是由 輸出電壓

27、和變比確定的,若開關(guān)管所能承受的最大電壓為Vm,那么: Vm = Uinmax + N(V0+Vd) + Vpk + Vy(21) 式中:Uinmax-為最大直流輸入電壓 Vo-輸出電壓 Vd-輸出二極管管壓降 Vp-漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓 Vy-安全電壓裕量 其中,漏感電壓可通過變壓器制作工藝和增加阻容吸收電路來抑制;可 見,改變匝數(shù)比能控制開關(guān)管的威脅,對于220或380電網(wǎng)來說,開關(guān)管的耐 壓已不成問題,在設(shè)計中常常根據(jù)反射電壓直接確定匝數(shù)比; VoR = N(VO+VD)(22) 220V交流電壓時,VoR常取150V左右 380V交流電壓時,VoR常取200V左右 可根據(jù)具體情況調(diào)整即

28、可. 2.初級匝數(shù):Np 根據(jù)電磁感應(yīng)定律 首先確定B,B的選擇保證變壓器正常工作時不會飽和,一般主要根據(jù)磁 性材料和開關(guān)電源頻率決定,磁材確定Bs,開關(guān)頻率影響磁耗,磁耗過大, 磁芯溫升越高,一般磁芯從25到100,Bs下降30%,因此開關(guān)頻率越高 ,B占Bs的比例越小,以下是一個資料的建議: 頻率f 最大工作磁通密度 50kHz0.5Bs 100 kHz 0.4Bs 500kHz0.25Bs 1M kHz 0.1Bs 可見,此式是在開關(guān)管導(dǎo)通時間時保證磁芯不飽和的情況下選擇初級匝數(shù), 即由B去確定Np 3.初級電感量:Lp 由自感系數(shù)的定義可知: 要計算電感必須知道初級電流Ip 4.初級峰

29、值電流:Ip 反激式開關(guān)電流在開關(guān)管導(dǎo)通時變壓器就像是僅有一個初級線圈的電感器, 輸入的能量由初級線圈轉(zhuǎn)化為磁場能存入磁芯和氣隙中. 可見,在最低輸入電壓時保證輸出功率的情況下選擇最大Ip. 5.匝數(shù)N,反射電壓Vor和最大占空比Dm 在功率開關(guān)管導(dǎo)通期間,開關(guān)變壓器的磁芯磁通隨初級繞組電流Ip的增大 而增大; 在功率磁開關(guān)管截止期間,磁通隨次級繞組電流減小而減小; 設(shè)磁通的最小值為min,在磁化電流臨界狀態(tài)和不連續(xù)狀態(tài)下,最小磁 通min對應(yīng)于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁通是一個確定值. 假若在每個工作周期結(jié)束時,磁通沒有回到周期開始時的出發(fā)點,則磁通 將隨周期地重復(fù)而逐漸增加,工作點也將不斷上升,使

30、得電流增大,磁芯飽 和,當(dāng)磁芯飽和時如下曲線S處: 此時,隨著H的變化,即i的變化,d/dt = 0,也即,-Nd/ dt0 開關(guān)管所承受的電壓為: Uin+-IxRp=Uin-Nd/ dt-IxRpUin-0-IxRpUin Uin直接加于開關(guān)管上,開關(guān)管會瞬間損壞.為了不至于發(fā)生這種損壞功率 開關(guān)管的現(xiàn)象,每個周期結(jié)束時工作磁通必須回到原來的初始位置,-這 就是磁通的復(fù)位原則. UNd/ dt,故可得: d 1/NUdt 對于反激式開關(guān)電源來說,在功率管處于導(dǎo)通期間: d 1/NpUiTon 在功率管處于截止期間: d 1/NsUoTr 在功率管導(dǎo)通期間磁通量的增加量d導(dǎo)通應(yīng)該等于在功率管截止期間磁通 量的減少量d截止,即: 工作在磁化電流連續(xù)狀態(tài)下的單管反激式型直流變換器的輸出電壓Uo取決于 功率開關(guān)變壓器初次級繞組的