LED驅(qū)動變壓器設計計算公式 - 圖文-

LF-GOE100YA0920A電源設計計算書電源的主要特性及功能描述;輸入電壓范圍AC90V~AC305V,額定輸入電壓范圍AC100V~AC277V.輸入電源工作頻率47Hz~63Hz,額定輸入頻率50Hz~60Hz.輸出功率112W,額定輸出DC90V~DC120V@0.92A開路輸出電壓:小于135V,短路輸入功率:小于15W.效率:90Vacinput大于87%,220Vacinput大于89%,277Vacinput大于90%.輸出紋波:在輸入電壓范圍內(nèi),紋波電壓小于1.2V,其它功能附詳細的規(guī)格書.電源的相關(guān)參數(shù)設計計算如下:1.對于電源工作保險絲的選定Pin(max=Po(max/Eff=121.716W/0.80=152.145W(按照電源起動到PFC電壓還沒升起來的這段時間的效率并適當取低一點點進行計算,否則,頻繁的開關(guān)機有可能會沖壞保險絲.Iinrms(max=Pin(max/Vin(min=152.145W/75V=2.029A(最小輸入電壓根據(jù)電源的最低起動電壓計算,這款電源設定最低起機電壓為75V,允許電源在最低起機電壓下帶額定負載起機考慮到電路中PFC校正值并不是完整的1,需要除以0.99的功率因素,以及查相關(guān)的保險絲的圖表所得,在最高工作環(huán)境溫度65度時,需扣除0.8的過熱等因素引起的加速熔斷的折扣率,再除以安規(guī)要求的0.75的折扣率,即保險絲因選擇:2.029A/0.99/0.8/0.75=3.416A.由于PFC+PWM兩極架構(gòu)的電源開機訊間的輸入浪涌電流非常大,加熱敏電阻后也能達到近80A,由此保險絲需選擇大于3.416A的高分斷能力的慢斷型。再考慮到這款LED電源是使用在室外的路燈上,需要承受較多且較大的雷擊,按照規(guī)格要求是線對線打4KV,需選擇耐4KV以上雷擊的保險絲。綜合以上對此款產(chǎn)品的保險絲最小應選擇AC300V5A慢斷型保險絲。2.橋堆的選定:依據(jù)前面的計算知道,電源的最大輸入功率為152.145W,最大輸入RMS電流是2.029A,(最低輸入電壓頻繁開關(guān)機,輸出帶滿負載工作,此時PFC電路還沒開始工作橋堆輸出最低直流電壓:DC(min=AC75V*1.35=DC101.25V.(輸入電壓降額到AC75V,全波整流后的輸出最大電壓為輸入的有效電壓乘以根號2,但是隨著輸出帶負載越大這個系數(shù)將會越低,這里取1.35,這個值不可以按照PFC上的輸出電壓進行計算,因為起機的時候PFC還沒有開始工作,如果按照工作以后PFC上的電壓進行計算,那當電源頻繁的開關(guān)機動作的時候,橋堆將會被電流沖壞。輸入功率除以橋堆后的輸出DC電壓就得到了橋堆的輸出平均電流:152.145W/101.25V=1.5027A..一般二極管類的元器件,考慮工作峰值電流的沖擊,熱損耗及高環(huán)境溫度下工作等因素,這里按照輸出平均電流的三倍進行取值。得:1.5027A*3=4.508A,由于5A的橋堆不常見,這里直接取6A的橋堆。6AGBU橋堆的currentdurationcurve.由上面的降額曲線可得出,橋堆本體溫度在120度以內(nèi),整流后都能保證持續(xù)輸出4.5A沒有問題。根據(jù)規(guī)格書的要求,輸入最高有效值電壓為AC305V,輸出最大的直流電壓為AC305V*1.414=427V根據(jù)上面圖表可知,按照耐電壓的要求,選用GBU606/GBU608/GBU610都是比較安全的。3.PFC電路的設計.(選擇CRM模式的BOOST電路做為PFC電路輸入90Vac‐305Vac,輸出電壓420V(根據(jù)規(guī)格書的要求,PFC在輸入最高為277Vac時要求大于0.92,可定義PFC輸出電壓為比277Vac整流后大25V到35V,可保證PF值滿足要求.根據(jù)經(jīng)驗,PFC電感先選用RM10型號,下文將通過計算驗證是否合理。先根據(jù)輸入的條件計算PFC電感量。由于PFC電感量并不是非常嚴格的,只要保證電路的工作頻率不進入到音頻范圍內(nèi)就可以了。計算方式如下:由公式可計算出PFC的電感量。其中Vrms為輸入有效值電壓,Ton為開關(guān)管的導通時間,E為PFC電路的效率,Po為電源輸出功率。由公式可計算出PFC的關(guān)斷時間,進而可計算出PFC的最小工作頻率。定義電感量為450uH,計算最低輸入電壓450uH=180^2*Ton*0.95/2*122Ton=3.567us.T=Ton+Toff=3.567us+5.476us=9.43usFs=106.04KHz.計算最高輸入電壓450uH=277^2*Ton*0.95/2*122Ton=1.506usT=Ton+Toff=1.506us+2.827us=22.333usFs=44.78KHz.計算在最低AC90V輸入電壓450uH=90^2*Ton*0.95/2*100Ton=11.70usT=Ton+Toff=11.70+10.43=22.13usFs=45.19KHz計算在低壓段最高輸入電壓450uH=175^2*Ton*0.95/2*100Ton=3.09usT=Ton+Toff=3.09us+33.91us=37usFs=27KHz.PFC輸出電壓按照兩段式輸出,即在輸入有效值電壓小于AC175V時,PFC輸出電壓設定為270V,在輸入有效值電壓大于AC175V時,PFC輸出電壓設定為420V。根據(jù)以上計算的工作頻率,取電感量為450uH,在AC90V‐AC277V范圍內(nèi),PFC的工作頻率均遠超過20KHz的最高音頻,最高工作頻率在100多一點點KHz。因此,PFC電感將不會發(fā)出人耳能聽到的聲音出來,也不會給傳導輻射帶來很大麻煩。流過PFC電感及MOS管的峰值電流:由于選用的PFC電路是工作在臨界模式的BOOST電路,流過PFC電感及MOS管的峰值電流為正弦波峰值電流的2倍,且在最低輸入電壓下達到最大:Ipk=2*√2*Po/Vin(rmsmin*Eff=2*√2*121.716/90*0.90=4.25A.Po為輸出最大功率Vin(rmsmin為輸入的最低有效電壓Eff為PFC的效率PFC電感最少匝數(shù):N=L*Ipk/Ae*△B=450uH*4.25A/98*0.30=65TS,因此,PFC電感的匝數(shù)最少必須大于65匝,才能保證磁感應強度控制在小于0.30特斯拉,保證變壓器不會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。(此PFC電感是按照輸出功率100W,電壓及電流均偏5%上限的極端情況設定的,如果能控制輸出電壓的精度,PFC電感的匝數(shù)還可以減小一點點,漆包線線徑可根據(jù)實際的情況選擇。PFCMOS管的選定如下:根據(jù)上圖,12A的MOS管在本體溫度升高到100度時,允許通過的電流降低到7.7A,根據(jù)左邊的Derating溫度降額曲線可知,管子的本體溫度在125度時,允許通過的電流大約為5A,是大于計算得出的峰值電流4.25A的,因此這款PFC的MOS管選擇是比較安全可靠的。至于MOS管的耐壓選擇,這個和很多因素有關(guān),包括PFC電感的漏感,PCB走線造成的干擾,輸入電壓,吸收電路以及允許的降額等級等等因素有關(guān),需要充分考慮選擇,此款暫時選擇650V耐壓的。PFC升壓二極管的選定如下:前面已經(jīng)說過,一般二極管類的元器件,需按照輸出平均電流的三倍進行取值。查閱一款UF1006CT超快恢復二極管的特性曲線,可得出選用UF1006CT是安全可靠的。從二極管溫度降額曲線可以得出,管子溫度達到120度是能在這款產(chǎn)品下正常工作的,但是當管子的溫度達到130度,二極管輸出電流降到了接近4A,是小于PFC電感最大峰值電流4.25A的,也就是說,這會存在管子被擊穿損壞的風險。按照BOOST拓撲的結(jié)構(gòu),二極管的最大反向耐壓就是輸出最大電壓,這款電源設定的BOOST輸出電壓為420V,假定輸出電壓偏設定的上限公差并再留取10%的耐壓余量,可得:二極管反向耐壓選擇為:420*1.05/0.9=490V,查詢下表特性可知,選擇UF1006CT超快恢復二極管是安全可靠的。PFC輸出電解電容的選型,這種電解電容一般有兩種方式可以定義:a.按照PFC電路的輸出保持時間;b.按照輸出電壓的紋波大小.這里選擇按照輸出電壓的保持時間去計算使用輸出電解電容的容量,一般定義保持時間為20ms,(解釋一下為什么定義20ms,當輸入工作電壓在低壓段,由于某些原因,線路在供電的過程中丟失了一個周期,也就是說60Hz供電的線路在某一個時間段內(nèi)有最大16.67毫秒是沒有供電的,一般的低壓段線路的頻率都是60Hz,50Hz只工作在高壓段供電,供電電壓不可能會跌落到低壓段,也就是說低壓段不可能存在50Hz的供電。下面的計算是按照丟失一個周期計算的,如果要求能抵抗更長的供電丟失周期,需要折算成保持時間去定義電解電容的容量。C=2Po*Thold/Vbusnor^2‐Vbusmin^2=2*121.716W*20*10^‐3/270^2-(√2*AC80V^2=243.432*20*10^‐3/72900‐12769=80.97uF(按照低壓段計算,欠壓關(guān)斷電壓定義為AC80V一般電解電容的容量都是控制在±20%,計算得出來的80uF為下限電容,由于還有其它電源有PFC電壓需要設定大于450V的,為了兼容,實際選用了100uF/500V的電解電容。上面的計算都是考慮在最差極限的情況下得出來的,實際測試的效果會更好些,代入電源實際的參數(shù)可以計算出PFC電源的實際保持時間。PWM變壓器的選型.(選擇反激式準諧振架構(gòu)做為電源的PWM電路按照輸入輸出的要求及元器件的耐壓,確定變壓器的匝比:輸入電壓范圍AC90~AC305V,PFC大電解電容的電壓值:DC270V~DC420V~DC432V(305*√2輸出電壓范圍DC90V~DC121V.初級MOS管的應力:V(mospk=Vbus+n*(Vo+Vf+Vlk次級整流二極管的應力:V(Dpk=Vbus/n+Vo+Vf,(Vbus為PFC輸出電壓,n*Vo為輸出電壓反射到初級的電壓,n為變壓器初級比次級的匝數(shù)比,Vo為輸出電壓,Vlk為初級漏感產(chǎn)生的電壓,Vf為輸出整流二極管的導通壓降考慮到路燈電源工作環(huán)境比較惡劣,灌膠后電源內(nèi)部整體的溫度都比較均衡,需要盡量提高電源的效率去降低電源的發(fā)熱,從而延長電源的壽命,特別是對電解電容有非常大的意義,因此,PWM的MOS管選用耐壓800V的管子,盡量加大反射電壓把占空比調(diào)到最大。MOS管保留10%的余量,可得到:V(mospk=Vbus+n*(Vo+Vf+Vlk720V=432V+n*(121+1+80V(暫定Vlk為80Vn=1.7(變壓器初次級匝比不能超過這個數(shù)值,否則MOS管將會有風險.低壓滿載時,PWM的工作頻率最低,原則是在最低輸入電壓下,帶載最大時頻率不能低于20KHz,否則進入音頻會有噪音出來。頻率太低,變壓器的磁滯損耗會加大,傳遞能量的能力會降低,暫定為60KHz,得出變壓器的電感量:Dmax=n(Vo+Vf/Vbus+n*(Vo+Vf=1.7*122/(1.7*122+270=0.434(暫定變壓器匝比為1.7,在低壓輸入下占空比最大Lp=Vdc^2*Dmax^2*Eff/2Po*Fs=270^2*0.434^2*0.93/2*121.716*60*10^3=870uHNp=Vbus*Ton/△B*Ae=270V*7.23uS/0.28*170=42Ts.(取整數(shù)Ns=Np/n=42Ts/1.7=25Ts(1.7的匝比為最大值,留取一定的余量,并且初次級匝數(shù)都為偶數(shù),可以更方便變壓器使用三明治繞線,經(jīng)過配比,初級定為46Ts,次級定為28匝,匝比為46/28=1.643.再次確認最終的Dmax=n(Vo+Vf/Vbus+n*(Vo+Vf=1.643*122/(1.643*122+270=0.426.確認最終的變壓器初級繞組感量:Lp=Vdc^2*Dmax^2*Eff/2Po*Fs=270^2*0.426^2*0.93/2*121.716*60*10^3=840uH.D=n(Vo+Vf/Vbus+n*(Vo+Vf=1.643*122/(1.643*122+420=0.323.Fs=Vdc^2*D^2*Eff/2Po*Lp=420^2*0.323^2*0.93/2*121.716*840uH=83.7KHz(高壓段輸出帶滿載Fs=Vdc^2*D^2*Eff/2Po*Lp=420^2*0.323^2*0.93/2*(90V*0.92A*95%*840uH=88.4KHz(在高壓段輸出帶最小載時,如果頻率高于IC規(guī)定的上限130KHz,電源PWM端的MOS管將在第一個波谷與第二個波谷之間切換,造成電源不穩(wěn)定并且會有可能發(fā)出音頻噪音,從上面的計算來看,這種情況是不會發(fā)生的初級繞組通過的峰值電流及有效值電流IPK=Vbus*Dmax/L*Fs=270V*0.426/840uH*60*10^3=2.282A.(低壓段MOS管上的峰峰值電流IpRMS=IPK*(Dmax/3^0.5=2.282*(0.426/3^0.5=0.86A.(低壓段MOS管上的有效值電流IPK=Vbus*D/L*Fs=420V*0.323/840uH*83.7*10^3=1.93A(高壓段MOS管上的峰峰值電流.MOS管的選