Mos關(guān)斷,次級二極管導(dǎo)通,變壓器次級同名端電壓被鉗位到Vout+Vf(Vf是整流二極管的正向壓降)。初級Mos管關(guān)斷,Mos管上的電壓應(yīng)力為Vdc加上變壓器次級反射到初級的反射電壓。實(shí)際計(jì)算的時(shí)候,我們應(yīng)該在Vdcmax這個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)算,因?yàn)镸os管一定是在輸入電壓最高的時(shí)候電壓應(yīng)力最大。當(dāng)然Vds上的電壓應(yīng)力,除了我們計(jì)算出來的平臺電壓,還有因?yàn)榧纳鷧?shù)產(chǎn)生的振鈴尖峰。
前輩工程師分享(2):開關(guān)電源設(shè)計(jì)教程—主體思想
發(fā)布時(shí)間:2015-02-22 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】在上一篇文章當(dāng)中,小編為大家整理了關(guān)于開關(guān)電源的伏秒平衡的相關(guān)知識,在本篇文章當(dāng)中將繼續(xù)分享來自前工程師的關(guān)于反激變壓器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),這一節(jié)是設(shè)計(jì)的主體思想,較為重要,希望大家能夠充分理解。
很多工程師都能回想起自己初學(xué)電源時(shí)的情景,從最基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)開始,大量的查閱資料。經(jīng)歷了迷茫和困惑,用時(shí)間一點(diǎn)點(diǎn)的積累。小編將為大家整理一系列有關(guān)開關(guān)電源設(shè)計(jì)的教程,幾乎包含了開關(guān)電源的所有拓?fù)?。這些教程由前工程師編寫,根據(jù)自身的自學(xué)經(jīng)驗(yàn)為大家量身打造,希望能夠幫助大家走出迷茫,盡快邁上正軌。
在上一篇文章當(dāng)中,小編為大家整理了關(guān)于開關(guān)電源的伏秒平衡的相關(guān)知識,在本篇文章當(dāng)中將繼續(xù)分享來自前工程師的關(guān)于反激變壓器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),這一節(jié)是設(shè)計(jì)的主體思想,較為重要,希望大家能夠充分理解。
本篇文章以一款19V、3.42A的適配器主功率回路設(shè)計(jì)過程為中心,來講解一下反激式變壓器的設(shè)計(jì),主要參數(shù):
輸入電壓:85-264AC;
輸出:19V3.42A;
計(jì)算輸出功率Pout=Iout*Vout=19*3.42=64.98W;
計(jì)算輸入功率。Pin=Pout/η;
這里會(huì)出現(xiàn)一個(gè)效率估算的問題。效率η不應(yīng)該是電源的總轉(zhuǎn)換效率。這里的效率應(yīng)該只包括變壓器損耗、次級整流二極管損耗,PCB走線損耗,輸出線損耗。Mos管損耗,整流橋損耗,前面的濾波電路的損耗,都不應(yīng)該計(jì)算進(jìn)去的。
估算大電解電容上的直流電壓
Vdcmax=Vacmax*1.414=264*1.414=373V
Vdcmin=Vacmin*1.414*90%=108.171V這里為什么要乘上0.9呢?是因?yàn)樵贏C輸入低端,F(xiàn)lyback工作在靠近最大占空比的位置,此時(shí)整個(gè)功率回路的增益必須保證有余量,計(jì)算輸入電壓應(yīng)該按照大電解電容上的谷底電壓來進(jìn)行計(jì)算。谷底電壓到底是多少,這個(gè)和所選取的電解電容的容量有關(guān)系,具體怎么計(jì)算,大家可去網(wǎng)絡(luò)上查詢,有很多相關(guān)資料。
高壓端滿載,F(xiàn)lyback工作在滿載的最小占空比狀態(tài),這個(gè)時(shí)候需要注意的是Mos管,二極管上面的電壓應(yīng)力,而整個(gè)電路的增益不需要考慮的。
選擇工作頻率
Mos管上的電壓應(yīng)力越低,頻率就可以跑的越高,也就是輸入電壓越低的產(chǎn)品,頻率就可以跑得高一些,因?yàn)殡妷焊叩蛯﹂_關(guān)電源Mos管上面的交叉損耗,影響非常大??捎^察一下跑到上M級別頻率的開關(guān)電源,輸入電壓都是非常低的。
對于全電壓反激,100K沒問題的。不要抱著頻率低,效率高這樣的觀點(diǎn)去設(shè)計(jì),其實(shí)這種說法不科學(xué)的。頻率低,每秒鐘開關(guān)次數(shù)少,開關(guān)損耗感覺會(huì)小一些。但是這個(gè)是有前提條件的,前提條件就是對于已經(jīng)設(shè)計(jì)好的變壓器,降低頻率,是可以直接觀察到效率提高。
但是在設(shè)計(jì)初始階段,就不一定了。頻率太低,變壓器需要較大電感量,同樣的磁芯需要更多的匝數(shù),骨架定了,可利用的窗口面積一定,那么較多的匝數(shù)就不得不用比較細(xì)的線徑,這樣就不利于線損控制。較多的匝數(shù),會(huì)有更大的寄生電容,造成Mos管開通電流沖過大,損耗不降反增。
其實(shí)可以在可接受的范圍內(nèi),盡量提高開關(guān)頻率。因?yàn)樽儔浩鳒厣幚?,很多情況下比Mos管更麻煩。較高的開關(guān)頻率就可以降低所需電感量,降低匝數(shù),我們就可以選取更粗一些的線徑,同時(shí)變壓器寄生參數(shù)會(huì)變得更好,假如選取合適的工作點(diǎn),Mos管的溫升完全可以保證在可以接受的范圍內(nèi)。對于全電壓,新手不妨以65K作為起始點(diǎn)開始進(jìn)行設(shè)計(jì)。其實(shí)全電壓的反激,65-110K都沒問題的。
新手大可以65K作為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。
什么時(shí)候需要調(diào)整頻率呢,對于選定的磁芯,變壓器繞不下了,在板子Outline確定的情況下,不能更換更大的磁芯,就需要提高工作頻率,提高了工作頻率,對于同樣的輸出功率,變壓器繞線的圈數(shù)就會(huì)變小。
注意一點(diǎn),頻率變高,理論上磁芯損耗會(huì)增加,但是實(shí)際設(shè)計(jì)中,對于工作在第一象限的連續(xù)反激模式開關(guān)電源,磁芯損耗增加是很有限的。改變電源的工作頻率,對整機(jī)最大的影響是改變工作頻率,整機(jī)的溫升分布會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移。頻率抬高,Mos管、二極管的溫升理論上會(huì)有所增加,變壓器線包溫升會(huì)下降。
提高了開關(guān)頻率,開關(guān)管在一秒鐘內(nèi)開關(guān)次數(shù)變多了,開關(guān)交叉損耗的次數(shù)也變多了,但是開關(guān)管的溫升不一定會(huì)變高。因?yàn)樽儔浩鞯募纳鷧?shù)因?yàn)樵褦?shù)減少而變得更好,寄生電容產(chǎn)生的損耗很多情況下都會(huì)有所改善。
頻率變高,次級整流二極管的損耗會(huì)有所增加,因?yàn)槎O管寄生電容(與二極管并聯(lián))的存在,頻率變高,寄生電容在每秒鐘充放電的次數(shù)也會(huì)隨之增加,而寄生電容放電是通過二極管本身放電的,這個(gè)影響也是有限的。
選擇合適的最大占空比
回顧一下上面寫的反激式開關(guān)電源輸入輸出關(guān)系表達(dá)式:
Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)
代入上式得:
Vout=(1/n)(Vin*<D/(1-D))>
我們對于一定的輸入輸出電壓,要確定一個(gè)合適的主回路增益。<什么是增益,就是Vout/Vindc(大電解電容上的電壓Vindc)>,所有的拓?fù)涞脑O(shè)計(jì),這一步都是必不可少的??匆幌屡c反激式主回路增益有關(guān)的參數(shù),占空比D與變比n。
先說占空比,D<0.5,在變比為1的情況下,主回路增益<1,也就是說,這時(shí)候反激式電路是工作在降壓區(qū)域。占空比D>0.5,反激式工作在升壓區(qū)域。
變比
變比對什么東西有影響呢?變比直接影響到Mos管,輸出二極管的電壓應(yīng)力,因?yàn)槲覀兂R?guī)產(chǎn)品都是市電輸入,輸出也是有標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)檔次,常用電壓一般有5V、12V、24V、48V,這樣子呢,世面上大量供貨的Mos管,整流二極管,也都有對應(yīng)的型號。
所以呢,對于一定的輸入輸出電壓,我們不能隨意的去選擇占空比,這個(gè)都是有可取的范圍的。我們先看一下Mos管的電壓應(yīng)力。
Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)
圖1
圖1是斷續(xù)模式的Vds和次級電流對應(yīng)的波形。
[page]Mos關(guān)斷,次級二極管導(dǎo)通,變壓器次級同名端電壓被鉗位到Vout+Vf(Vf是整流二極管的正向壓降)。初級Mos管關(guān)斷,Mos管上的電壓應(yīng)力為Vdc加上變壓器次級反射到初級的反射電壓。實(shí)際計(jì)算的時(shí)候,我們應(yīng)該在Vdcmax這個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)算,因?yàn)镸os管一定是在輸入電壓最高的時(shí)候電壓應(yīng)力最大。當(dāng)然Vds上的電壓應(yīng)力,除了我們計(jì)算出來的平臺電壓,還有因?yàn)榧纳鷧?shù)產(chǎn)生的振鈴尖峰。
圖3
所以呢,對于管子耐壓我們都要留裕量的,一般我們?nèi)」茏訕?biāo)稱耐壓的80-90%,具體要看產(chǎn)品的客戶規(guī)格書,或者自己公司內(nèi)部的要求。變比n同時(shí)還決定輸出整流二極管的電壓應(yīng)力,推導(dǎo)方法和Vsd一樣,大家可以自行推導(dǎo)。
其實(shí)我們在實(shí)際設(shè)計(jì)中,不會(huì)單獨(dú)的去選取變比,而是使用反激式變換器的總增益公式,直接選取Dmax,從而得出適合的變比n.
Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)
代入上式得:
Vout=(1/n)
這個(gè)是反激式的輸入輸出關(guān)系式:
Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>
對于一定的輸入輸出:
Vout=19V
Vinmin=Vacmin*1.414*0.9=85*1.414*0.9=108.171V
Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>------>Vout已知Vin已知我們選取合適的D值,就會(huì)得到不同的變比n。
(這里需要注意,選取占空比,是按照最低輸入電壓來選取的,因?yàn)槲覀儽仨毐WC在最低輸出電壓的情況下,電源能夠帶滿載,并且需要有增益裕量,保證動(dòng)態(tài)性能。而變比的參數(shù)跟最大占空比是對應(yīng)的,觀察反激式的輸入輸出增益公式,會(huì)發(fā)現(xiàn)每一個(gè)最大占空比對應(yīng)一個(gè)變比。)
Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)
Vd=(Vdcmax/n)+Vout
把得到的變比n帶如上式,就可以得到對應(yīng)的Mos管電壓應(yīng)力(平臺),輸出二極管電壓應(yīng)力,根據(jù)實(shí)際可選的Mos管,二極管的耐壓,就可以選出合適的可用占空比。
不要感覺很麻煩,實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,很多參數(shù)都需要反復(fù)迭代的,但并不提倡大家進(jìn)行手算。下手計(jì)算第一容易出錯(cuò),第二,效率很低,推薦一定要用合適的軟件,比如Mathcad,Excel,把公式做成計(jì)算表,我們只需要根據(jù)自己的分析判斷輸入?yún)?shù),計(jì)算由電腦來完成。
上面提及的知識都是是否能夠充分理解變壓器設(shè)計(jì)的主要思想。希望大家能夠充分理解。從事電源工程師行業(yè),實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí),知識都是在問題的解決和實(shí)踐中學(xué)習(xí)到的,而不是對著書本死磕理論得來的。在下一篇教程當(dāng)中,將為大家?guī)矸醇ら_關(guān)電源當(dāng)中相關(guān)器件參數(shù)計(jì)算。
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