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大牛獨(dú)創(chuàng)(三):反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算

發(fā)布時間:2013-12-12 來源:rj44444 責(zé)任編輯:cicy

【導(dǎo)讀】反激式變換器會用到較多的電感元器件,因此在討論設(shè)計(jì)之前先簡單地介紹一下磁性元器件的基本知識,接著將討論離線式反激變換器的電路元件參數(shù)選取和變壓器設(shè)計(jì),由于內(nèi)容較多,變壓器的設(shè)計(jì)下期將為大家詳細(xì)講解。

在學(xué)習(xí)了前兩章作者獨(dú)創(chuàng)的反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算以后,不知道對大家有沒有幫助呢?下面我們就繼續(xù)跟著作者學(xué)習(xí)吧!

4.磁芯電感器的基本知識

反激式變換器會用到較多的電感元器件,因此在討論設(shè)計(jì)之前我們簡單地介紹一下磁性元器件的基本知識。選擇電感器時,我們經(jīng)常提到電感的飽和電流,首先我們看一下什么是電感飽和電流。
大牛獨(dú)創(chuàng)(三):反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算
圖十:環(huán)形線圈示意圖
 

如圖十所示的環(huán)形線圈,假設(shè)線圈匝數(shù)為N匝,流入電流I,那么根據(jù)安培環(huán)路定律,以圖中r為半徑對磁場強(qiáng)度進(jìn)行積分可得:
大牛獨(dú)創(chuàng)(三):反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算
不難看出,磁場強(qiáng)度正比于電感電流,反比于磁路長度。又因?yàn)榇艌鰪?qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度B(也可以叫做磁通密度)存在如下關(guān)系:
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往期回顧:
大牛獨(dú)創(chuàng):反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算
http://m.hunt-properties.com/power-art/80021928

大牛獨(dú)創(chuàng)(二):反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算
http://m.hunt-properties.com/power-art/80021936

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其中μ0和μr分別為空氣磁導(dǎo)率和介質(zhì)磁導(dǎo)率。所以當(dāng)電流增大時,電感內(nèi)部的磁場強(qiáng)度增大,如果想對磁導(dǎo)率保持不變的話,磁感應(yīng)強(qiáng)度也會隨之增大。對于開關(guān)電源中的電感器件,一般都是帶有磁芯材料的,對于一般的磁芯材料,對磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁通密度)的大小有一定的限制,當(dāng)材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度增大到一定值后,磁感應(yīng)強(qiáng)度不再隨磁場強(qiáng)度增加而增加,可以看做相對磁導(dǎo)率μr不為常量,我們把此時的情況叫做磁芯飽和。

為了防止磁芯進(jìn)入飽和,我們必須將磁芯中才磁感應(yīng)強(qiáng)度限定在一定的范圍內(nèi),另外,考慮到磁芯的損耗也與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小成正相關(guān)關(guān)系,所以又進(jìn)一步減小了磁感應(yīng)強(qiáng)度的選取范圍。對于通常的鐵氧體磁芯,我們一般選擇工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1600G(即0.16T)。

根據(jù)磁通量、磁鏈的定義以及相關(guān)關(guān)系,我們有如下公式:
大牛獨(dú)創(chuàng)(三):反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算

其中φ表示截面積為A的磁芯中的磁通量,ψ表示磁鏈,N表示線圈匝數(shù)。從上面的關(guān)系式可以得出:
大牛獨(dú)創(chuàng)(三):反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算

不難看出,當(dāng)要求的電感量一定時,減小磁芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法有兩種:增加線圈匝數(shù)或增大磁芯截面積(即選用更大尺寸的磁芯)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,增加線圈的匝數(shù)一方面可能導(dǎo)致磁芯無法容納所有繞組,另一方面會導(dǎo)致電感的內(nèi)阻增加,線圈損耗增加,從而不得不增加線徑,使得磁芯容納繞組更加困難。所以在選擇磁芯時,需要同時考慮磁芯截面積Ae和磁芯的窗口面積Aw。常見的經(jīng)驗(yàn)公式中,一般選取Ae和Aw的乘積Ap作為選擇磁芯的標(biāo)準(zhǔn)。

5.離線式反激式變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)將討論離線式反激變換器的電路元件參數(shù)選取和變壓器設(shè)計(jì),重點(diǎn)介紹變壓器的設(shè)計(jì)。

5.1保險絲和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻

反激式變換器的輸入端通常串聯(lián)保險絲盒一個標(biāo)稱阻值幾歐到幾十歐的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC),保險絲的作用顯而易見,在電路出現(xiàn)短路或者過流時,為整個電路提供最后一道保護(hù)屏障。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻則在電路啟動時起到了減小浪涌電流的作用。當(dāng)輸入端接通電源時,對于沒有PFC功能的電路,輸入濾波大電容將造成輸入端出現(xiàn)大的浪涌電流,接入NTC后,由于啟動瞬間NTC溫度較低,阻值較大,有效抑制了浪涌電流。隨著電源的工作,NTC流過電流發(fā)熱,阻值減小,NTC造成的線電壓損耗也隨之降低。
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由于保險絲和熱敏電阻都屬于阻性元件所以選取時根據(jù)有效值電流計(jì)算。例如圖七所示的電路中,輸出5V/2A,預(yù)估效率75%,我們首先計(jì)算出電源輸入端的最大有效值電流:
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那么,我們選擇保險絲的時候,要求額定電流大于這個值,考慮到浪涌電流對保險絲壽命的影響,我們通常選擇額定電流比這個值大數(shù)倍的保險絲。另外需要注意的是保險絲的額定電壓,如果選擇的保險絲額定電壓低于電源最高輸入電壓,可能造成保險絲的兩極之間出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。例如圖六中選擇了1A/250V的保險絲。

對于熱敏電阻,我們首先需要了解穩(wěn)定情況下的阻值,然后根據(jù)阻值和最大有效值電流得出電阻上的功耗,最后選取額定功率大于計(jì)算值的電阻。對于小功率的開關(guān)電源,通常省去了熱敏電阻。

5.2共模電感和安規(guī)X電容的選取

共模電感和安規(guī)X電容一起組成了共模濾波器。在開關(guān)電源中,這兩者的參數(shù)相對變化較小。對于共模濾波器電感,電感量在幾mH到幾十mH,一般情況下,功率越大時,共模電感的電感量越小。安規(guī)X電容恰恰相反,功率越大時,該電容的容量通常越大。安規(guī)Y電容的容量一般在100nF到幾百nF。

共模電感和安規(guī)X電容的具體參數(shù)很難通過公式計(jì)算,通常應(yīng)用中,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值大概確定電感量和電容量的大小,然后在測試者對參數(shù)調(diào)整。共模電感選取的另一個要點(diǎn)是保證輸入電流不會導(dǎo)致磁芯的飽和。對于成品化的共模電感,可以提供輸入功率等參數(shù)進(jìn)行選購。

5.3輸入整流二極管的選擇

市電輸入一般為50Hz或60Hz的工頻信號,輸入整流二極管一般為高壓PiN二極管,因此二極管的功耗主要是導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通損耗等于二極管的正向壓降與正向平均電流的乘積,對于交流正弦輸入和全橋整流的應(yīng)用,平均二極管電流等于有效值電流乘以正弦因子,計(jì)算公式如下:
大牛獨(dú)創(chuàng)(三):反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算

所以理論上計(jì)算得到所需的二極管最大整流電流只需大于75mA。但是考慮到額定電流更大的二極管發(fā)熱更低,并且在大的輸入濾波電容作用下,流過整流二極管的電流波形為尖脈沖,為了增加二極管的壽命和可靠性,通常選擇額定電流遠(yuǎn)大于計(jì)算所得到的最大平均電流。整流二極管的另一個重要參數(shù)是最大反向工作電壓,橋式整流中,二極管承受的最大反向電壓即市電輸入最高電壓。在實(shí)際應(yīng)用中,為了安全起見,一般選擇最大方向工作電壓為市電最高輸入電壓2倍的二極管。圖七所示的電路中選取了1A/600V的整流橋。
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5.4輸入濾波電容的選取

輸入濾波電容使整流后的半正弦信號變?yōu)橄鄬ζ教沟闹绷麟?,電容量的大小決定了直流的平坦度。假設(shè)充放電階段電容上的電壓都是線性變化的,我們可以得到圖九所示的波形。一個周期內(nèi),在AB段,市電通過整流二極管向電容充電,電容上的電壓上升,在BC段,電容向后級負(fù)載放電,電容上的電壓下降。電容上的電壓周期性地波動,周期為工頻周期的一半。

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圖九:電容上的直流電壓波形
 

輸入濾波電容上的電壓即變換器的輸入電壓,為了較為準(zhǔn)確地得到變換器輸入直流電壓的范圍,我們需要計(jì)算電容上電壓的波動值。我們假設(shè)一個周期內(nèi)電容的充電時間為Tch,并且規(guī)定充電時間占周期時長的百分比Dch,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),Dch一般取0.2到0.3,我們得到如下的計(jì)算過程:

其中,I表示電容后接負(fù)載的平均電流,在電容上電壓波動不大的情況下,我們通過下式估算:
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其中Pin為反激變換器的輸入功率,等于輸出功率與系統(tǒng)效率的比值。最后我們得到電容上電壓波動范圍計(jì)算式如下:
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其中fin表示工頻頻率,50或60Hz,η為系統(tǒng)的效率。從上面的計(jì)算可以看出,變換器輸入直流電壓的波動正比于輸入功率,反比于輸入電容容量。對于離線式反激式變換器,一般按照每W輸出功率2—3μF選取輸入濾波電容。在確定輸入濾波電容容量后,就可以得到變換器的輸入直流電壓范圍。例如,對于圖七所示電路,輸入85V—265V交流市電,預(yù)估效率為0.75,取Dch=0.2,得到如下計(jì)算結(jié)果:
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變壓器是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和重點(diǎn),因此講述的內(nèi)容較多,下期將為大家詳細(xì)講解。

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