正激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)(共18頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上7-3 正激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中山市技師學(xué)院 葛中海由于反激式開關(guān)電源中的開關(guān)變壓器起到儲能電感的作用，因此反激式開關(guān)變壓器類似于電感的設(shè)計(jì)，但需注意防止磁飽和的問題。反激式在20100W的小功率開關(guān)電源方面比較有優(yōu)勢，因其電路簡單，控制也比較容易。而正激式開關(guān)電源中的高頻變壓器只起到傳輸能量的作用，其開關(guān)變壓器可按正常的變壓器設(shè)計(jì)方法，但需考慮磁復(fù)位、同步整流等問題。正激式適合50250W之低壓、大電流的開關(guān)電源。這是二者的重要區(qū)別！7.3.1 技術(shù)指標(biāo)正激式開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)見表7-7所示。表7-7 正激式開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)項(xiàng) 目參 數(shù)輸入電壓單相交流220V輸入電

2、壓變動(dòng)范圍160Vac235Vac輸入頻率50Hz輸出電壓VO=5.5V20A輸出功率110W7.3.2 工作頻率的確定工作頻率對電源體積以及特性影響很大，必須很好選擇。工作頻率高時(shí)，開關(guān)變壓器和輸出濾波器可小型化，過渡響應(yīng)速度快。但主開關(guān)元件的熱損耗增大、噪聲大，而且集成控制器、主開關(guān)元件、輸出二極管、輸出電容及變壓器的磁芯、還有電路設(shè)計(jì)等受到限制。這里基本工作頻率選200kHz，則=5s式中，為周期，為基本工作頻率。7.3.3 最大導(dǎo)通時(shí)間的確定對于正向激勵(lì)開關(guān)電源，選為40%45%較為適宜。最大導(dǎo)通時(shí)間為= （7-24）是設(shè)計(jì)電路時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它對主開關(guān)元件、輸出二極管的耐壓與輸出保

3、持時(shí)間、變壓器以及和輸出濾波器的大小、轉(zhuǎn)換效率等都有很大影響。此處，選=45%。由式（7-24），則有=5s0.45=2.25s正向激勵(lì)開關(guān)電源的基本電路結(jié)構(gòu)如圖7-25所示。圖7-25 正向激勵(lì)開關(guān)電源的基本電路結(jié)構(gòu)7.3.4 變壓器匝比的計(jì)算1次級輸出電壓的計(jì)算如圖7-26所示，次級電壓與電壓+的關(guān)系可以這樣理解：正脈沖電壓與包圍的矩形“等積變形”為整個(gè)周期的矩形，則矩形的“縱向的高”就是+，即 （7-25）式中，是輸出二極管的導(dǎo)通壓降，是包含輸出扼流圈的次級繞組接線壓降。由此可見，圖7-26所示A面積等于B面積，C是公共面積，因此，真正加在負(fù)載上的輸出電壓更小。圖7-26 “等積變形”示

4、意圖根據(jù)式（7-25），次級最低輸出電壓為=14V式中，取0.5V（肖特基二極管），取0.3V。2變壓器匝比的計(jì)算正激式開關(guān)電源中的開關(guān)變壓器只起到傳輸能量的作用，是真正意義上的變壓器，初、次級繞組的匝比為= （7-26）根據(jù)交流輸入電壓的變動(dòng)范圍160V235V，則=200V350V，=200V，所以有=14.3把式（7-25）、（7-25）整合，則變壓器的匝比為= （7-27）7.3.5 變壓器次級輸出電壓的計(jì)算變壓器初級的匝數(shù)與最大工作磁通密度（高斯）之間的關(guān)系為 （7-28）式中，為磁芯的有效截面積（mm2），為最大工作磁通密度。輸出功率與磁芯的尺寸之間關(guān)系，見表2-3所示。根據(jù)表2-

5、3粗略計(jì)算變壓器有關(guān)參數(shù)，磁芯選EI-28，其有效截面積約為85mm2，磁芯材料相當(dāng)于TDK的H7C4，最大工作磁通密度可由圖7-27查出。圖7-27 H7C4材料磁芯的B-H特性實(shí)際使用時(shí)，磁芯溫度約為100，需要確保為線性范圍，因此在3000高斯以下。但正向激勵(lì)開關(guān)電源是單向勵(lì)磁，設(shè)計(jì)時(shí)需要減小剩磁（磁復(fù)位）剩磁隨磁芯溫度以及工作頻率而改變。此處，工作頻率為200kHz，則剩磁約減為1000高斯，即磁通密度的線性變化范圍為2000高斯。根據(jù)式（7-28），得=26.5匝，取整數(shù)27匝。因此，變壓器次級的匝數(shù)為=/=27/14.3=1.9匝，取整數(shù)2匝。當(dāng)=/=27/2=13.5。根據(jù)式（7

6、-27），計(jì)算最大占空比為=42.5%也就是說，選定變壓器初、次級繞組分別為27和2匝，為了滿足最低輸入電壓時(shí)還能保證輸出電壓正常，開關(guān)電源的最大占空比約為42.5%，開關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間約為2.1s。下面有關(guān)參數(shù)的計(jì)算以校正后的（=42.5%）和（=2.1s）。同時(shí)，由式（7-26）計(jì)算的輸出最低電壓約為14.8V。7.3.6 變壓器次級輸出電壓的計(jì)算1計(jì)算扼流圈的電感量流經(jīng)輸出扼流圈的電流如圖7-28所示，則為= （7-29）式中，為輸出扼流圈的電感（H）。圖7-28 扼流圈中的電流波形這里選為輸出電流（=20A）的10%30%，從扼流圈的外形尺寸、成本、過程響應(yīng)等方面考慮，此值比較適宜。

7、因此，按為的20%進(jìn)行計(jì)算。=0.2=200.2=4A由式（7-29），求得=4.6H如此，采用電感量為4.6H，流過平均電流為20A的扼流圈。若把變壓器次級的輸出電壓與電流波形合并在一起，如圖7-29所示。在期間，為幅度14.8V的正脈沖，VD1導(dǎo)通期間扼流圈電流線性上升，電感勵(lì)磁、磁通量增大；在期間，為幅度的負(fù)脈沖（具體分析見下文），VD1截止、VD2導(dǎo)通，扼流圈電流線性下降，電感消磁，磁通量減小。輸出給負(fù)載的平均電流為20A。穩(wěn)態(tài)時(shí)，扼流圈的磁通增大量等于減小量。圖7-29 次級的電壓與電流波形2計(jì)算輸出電容的電容量輸出電容大小主要由輸出紋波電壓抑制為幾mV而確定。輸出紋波電壓由以及輸出

8、電容的等效串聯(lián)電阻ESR ESR，是Equivalent Series Resistance三個(gè)單詞的縮寫，翻譯過來就是“等效串聯(lián)電阻”。ESR的出現(xiàn)導(dǎo)致電容的行為背離了原始的定義。ESR是等效“串聯(lián)”電阻，意味著將兩個(gè)電容串聯(lián)會增大這個(gè)數(shù)值，而并聯(lián)則會減少之。確定，但輸出紋波一般為輸出電壓的0.3%0.5%。=1525mV （7-30）又=ESR （7-31）由式（7-31），求得ESR=3.756.25m即工作頻率為200kHz時(shí)，需要選用ESR值6.25m以下的電容。適用于高頻可查電容技術(shù)資料，例如，用8200F/10V的電容，其ESR值為31m，可選6個(gè)這樣的電容并聯(lián)。另外，需要注意低

9、溫時(shí)ESR值變大。流經(jīng)電容的紋波電流為=1.16A （7-32）因此，每一個(gè)電容的紋波電流約為0.2A，因?yàn)檫@里有6個(gè)電容并聯(lián)。此外，選用電容時(shí)還要考慮到負(fù)載的變化、電流變化范圍、電流上升下降時(shí)間、輸出扼流圈的電感量，使電壓穩(wěn)定的環(huán)路的增益等，它們可能使電容特性改變。7.3.7 恢復(fù)電路設(shè)計(jì)1計(jì)算恢復(fù)繞組的匝數(shù)恢復(fù)電路如圖7-30所示。VT1導(dǎo)通期間變壓器T1的磁通量增大，T1蓄積能量；VT1截止期間釋放蓄積的能量，磁通返回到剩磁。圖7-30 恢復(fù)電路（VT1截止時(shí)）電路中T1上繞有恢復(fù)繞組，因此VT1截止期間，原來蓄積在變壓器中的能量通過VD4反饋到輸入側(cè)（暫存）。由于VT1截止期間，恢復(fù)繞

10、組兩端的自感電壓限制為輸入電壓的數(shù)值，惟其如此，VD4才能把存儲在中的磁場能轉(zhuǎn)化為電場能反饋到輸入側(cè)。這時(shí)變壓器初級感應(yīng)電壓為= （7-33）式中，是的感應(yīng)電壓，極性為上負(fù)下正；是的自感電壓，極性也是上負(fù)下正（等于電源電壓）。若主開關(guān)元件的耐壓為800V，使用率為85%，即8000.85=680V。680-350=330V由式（7-33），求得=28.6匝，取整數(shù)29匝。2計(jì)算RCD吸收電路的電阻與電容VT1導(dǎo)通期間儲存在T1中的能量為= （7-34）式中，為變壓器初級的電感量。VT1截止期間，初級感應(yīng)電壓使VD3導(dǎo)通，磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，在上以熱量形式消耗掉。中消耗的熱量為= （7-35）因

11、為=，聯(lián)立式（7-34）、（7-35），整理得= （7-36）因?yàn)檩斎腚妷鹤罡邥r(shí)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間最短，把上式中的換成，換成，加在VT1上的最大峰值電壓為=+= （7-37）由此，求得為= （7-38）又，當(dāng)輸入電壓時(shí)，為=2.11.2s式（7-38）中，初級的電感量是未知數(shù)，下面求解。Al-Value值由磁芯的產(chǎn)品目錄提供。EI（E）-28，H7C4的A1-Value值為5950，則A1-Value= （7-39）由式（7-39），求得為=5950=59504.3mH由式（7-38），求得為=28.2k式中，加在VT1上的最大峰值電壓取680V。時(shí)間常數(shù)比周期要大的多，一般取10倍左右，則=10

12、=101773pF3計(jì)算主繞組感應(yīng)電壓當(dāng)=350V，根據(jù)式（7-33），得=325V閱讀資料對于正激式開關(guān)電源來說，主開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)變壓器勵(lì)磁，在即將結(jié)束時(shí)初級繞組的勵(lì)磁電流為。開關(guān)斷開時(shí)，變壓器需要消磁，恢復(fù)二極管VD3和繞組就是為此而設(shè)，勵(lì)磁能量通過它們反饋到輸入側(cè)。若繞組中蓄積的能量全部轉(zhuǎn)移到繞組中，開關(guān)斷開瞬間“安匝相等”原理仍然成立，則繞組的勵(lì)磁電流為把=代入上式，得=又，繞組的勵(lì)磁電感與繞組的勵(lì)磁電感的關(guān)系為恢復(fù)二極管VD3變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，變壓器以輸入電壓進(jìn)行消磁。為消除=的勵(lì)磁電流，必要的時(shí)間類似=，即把上式、分別用前兩式代入上式，整理得=為防止變壓器磁飽和，必須在開關(guān)斷開期間變壓

13、器完全消磁，則=即因此，正激變換器的電壓變比限制為比如，本例中=27，=29，則0.482（=0.425）。7.3.8 MOSFET的選用1MOSFET的電壓峰值根據(jù)式（7-38），計(jì)算VT1上的電壓峰值為=350690V實(shí)際上，MOSFET的漏-源極之間的還疊加有幾十伏的浪涌電壓，波形如圖7-31所示。圖7-31 加在主開關(guān)元件上的電壓波形 圖7-32 主開關(guān)元件上的電壓與電流波形2MOSFET的電流及功耗根據(jù)變壓器安匝相等原理，MOSFET的漏極電流平均值為=201.48A根據(jù)電感電流的變化量為20%，確定的前峰值和后峰值分別為=0.9=1.480.91.33A =1.1=1.481.11

14、.63A式中，、分別是開關(guān)管導(dǎo)通期間前、后沿峰值電流，與電流平均值有10%的差值。VT1的電壓和電流波形如圖7-32所示，VT1的總功耗為=（7-40）式中，是MOSFET導(dǎo)通電壓，一般為在2V以下。采用功率MOSFET計(jì)算功耗時(shí)應(yīng)注意：（1）PN結(jié)溫度越高，導(dǎo)通電阻越大，超過100時(shí)，一般為產(chǎn)品手冊中給出值的1.52倍。（2）功率MOSFET功耗中，由于占的比例比較高，必要時(shí)加寬進(jìn)行計(jì)算。即在時(shí)，采用條件，或者時(shí)，采用條件進(jìn)行計(jì)算。另外，在期間，由于功率MOSFET的漏極電流極小，其功耗可忽略不計(jì)。因?yàn)?2.1s，采用MOSFET產(chǎn)品手冊中給出的上升時(shí)間，采用下降時(shí)間。這里，取=0.1s，=

15、0.1s，則=2.1-0.1-0.1=1.9s由式（7-40），求得為=5.3W式中，取1.7V。結(jié)溫控制在120，環(huán)境溫度最高為50時(shí)，需要的散熱器的熱阻為=12.2/W（7-41）由此，需要12.2/W的散熱器，這時(shí)，由冷卻方式是采用自然風(fēng)冷還是風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷來決定散熱器的大小。散熱器大小與溫升一例如圖7-33所示。圖7-33 功耗與溫升的關(guān)系7.3.9 恢復(fù)二極管的選用恢復(fù)二極管選用高壓快速二極管，特別注意反向恢復(fù)時(shí)間要短。1VD3的反向耐壓在期間VD3反偏，正極相當(dāng)于接地，加在VD3上的反向電壓等于電源電壓。當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，VD3反偏電壓=350V。2VD4的反向耐壓在期間VD4反偏，

16、加在VD4上的反向電壓為電源電壓與恢復(fù)繞組感應(yīng)電壓的疊加，當(dāng)輸入電壓最高時(shí)，VD4反偏電壓為=350726V （7-42）7.3.10 輸出二極管的選用輸出二極管選用低壓大電流SBD，特別注意反向恢復(fù)時(shí)間要短。這是因?yàn)镸OSFET通斷時(shí)，由于二極管反向電流影響初級側(cè)的開關(guān)特性，功耗增大的緣故。1整流二極管VD1的反向耐壓在期間，由于輸出濾波電感反激，續(xù)流二極管VD2導(dǎo)通，主繞組感應(yīng)電壓=330V；次級電壓加在整流二極管VD1的兩端，因此，VD1的反向電壓為=32524V （7-43）實(shí)際上，開關(guān)管截止時(shí)有幾十伏的浪涌電壓疊加在這電壓上。2續(xù)流二極管VD2的反向耐壓在期間VD1導(dǎo)通，加在續(xù)流二極

17、管VD2上的反向電壓與變壓器次級繞組電壓的最大值相同，即=35026V （7-44）實(shí)際上，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)有幾V浪涌電壓疊加在這電壓上。加在VD1、VD2導(dǎo)通上的電壓波形如圖7-34所示。（a）整流二極管VD1兩端的電壓波形 （b）續(xù)流二極管VD1兩端的電壓波形圖7-34 輸出二極管電壓波形整流二極管VD1的功耗為= （7-45）續(xù)流二極管VD2的功耗為= （7-46）式中，為反向電流，為反向恢復(fù)時(shí)間，均采用產(chǎn)品手冊上給出的數(shù)值。有功耗時(shí)，輸出二極管的電壓和電流波形如圖7-35所示。（a）整流二極管VD1兩端的電壓波形 （b）續(xù)流二極管VD1兩端的電壓波形7.3.11 變壓器參數(shù)的計(jì)算MOSFE

18、T的漏極電流平均值為就是變壓器初級電流的平均值，因此為=1.48A正激式開關(guān)電源初、次級的電流同相，且均為梯形波。根據(jù)前述梯形波電流的有效值的公式=式中，是梯形波電流的前峰值與后峰值的比值，即=/。本電路就是，就是，則=/=0.9/1.10.82初級電流的有效值為=1.11.480.96A或用簡單公式=1.480.96A次級電流的有效值為=0.9612.95A恢復(fù)繞組電流的有效值為=0.960.89A自然風(fēng)冷時(shí)電流密度選為24（A/mm2），強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)選為35（A/mm2）較適宜。根據(jù)電流的有效值，變壓器初級繞組使用的銅線0.6，電流密度為3.4（A/mm2），次級繞組使用的銅線0.39，電流

19、密度為4.8（A/mm2），恢復(fù)繞組的銅線0.6，電流密度為3.15（A/mm2）。7.3.12 輸出扼流圈的計(jì)算輸出扼流圈用磁芯有EI（EE）磁芯、環(huán)形磁芯、鼓形磁芯等。設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)與變壓器一樣，磁通不能飽和，溫升應(yīng)在允許范圍內(nèi)。使用的磁芯也與變壓器一樣，采用EI-28，電感量在4.6H以上。因?yàn)榱鹘?jīng)線圈中的電流為20A，所以，使用0.5mm9mm的銅條，電流密度為4.44A/mm2采用上述銅條可以計(jì)算出最多只能繞6匝。H7C4材料磁芯的間隙與A1-Value之間的關(guān)系如圖7-37所示。由式（7-39），需要的A1-Value值為A1-Value=127查看圖7-37所示曲線A1-Value值，可得間隙為