【導(dǎo)讀】對(duì)于電源老鳥來說,接觸的設(shè)計(jì)多了,就會(huì)形成一套自己的獨(dú)特手法和習(xí)慣,隨著經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng),這將形成一種良性的循環(huán)。而對(duì)于新手來說,尋找到一個(gè)合適的切入點(diǎn)都是比較困難的,更談不上形成這種良性的循換了。但是這個(gè)阻礙新手進(jìn)步的問題將被解決。
本系列文章以反激電源設(shè)計(jì)為切入點(diǎn),深究這種電源的設(shè)計(jì)手法并對(duì)其中的原理進(jìn)行細(xì)致的講解,對(duì)良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣進(jìn)行培養(yǎng)。
為了達(dá)到較為明顯的演示效果,本篇文章當(dāng)中使用的參數(shù)規(guī)格都是比較夸張的。輸入要求:AC90~275V,輸出5V~40A。 一個(gè)200W的反激式電源,(這么大的電源不一定能夠通過EMC,因?yàn)槁└泻头醇な降墓ぷ髂J絾栴}使大功率反激式EMC比較難過)。 因?yàn)檫@個(gè)電源電壓不高,電流大,次級(jí)整流的損耗大,估計(jì)按照此方法設(shè)計(jì)出來效率90%,一般輸出電壓越高的效率越好。
接下來說一下要用到的電源設(shè)計(jì)軟件。
1.SMPS Cal: 這是一款電源計(jì)算工具,用來做綜合評(píng)估,比如選擇什么拓補(bǔ)結(jié)構(gòu),需要用多大磁芯,電容容量,電流有效值,峰值這些。先讓自己心里有個(gè)大概。
2.saber 2007 這個(gè)是一款仿真軟件,設(shè)計(jì)電源的時(shí)候用這個(gè)來仿真原理性問題,仿真的最多的是開環(huán)性仿真。
3.PExprt:這是一款ansys里面的
變壓器設(shè)計(jì)軟件,比較好用,和實(shí)際的吻合度高。
本篇文章主要對(duì)電解電容進(jìn)行講解,并且使用saber來進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮o助講解。后期的難點(diǎn)將會(huì)是變壓器部分。
芯片選用BO5269D,這款芯片頻率是65K,我們先用工具來看下需要多大磁芯,因?yàn)闆]有特殊要求,用EE磁芯來設(shè)計(jì)這款電源。
計(jì)算出來是30000立方毫米,這個(gè)是參考設(shè)計(jì),不是真正的定型,所以我們初選黃色標(biāo)中的3款磁芯,自己心里面現(xiàn)在對(duì)磁芯有個(gè)大概的了解了。
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然后我們打開反激式算法面,輸入相關(guān)參數(shù),再來看看電路部分,變壓器部分是個(gè)大概什么情況,讓自己心里面對(duì)這款即將設(shè)計(jì)的電源有個(gè)了解。但是不是按照這個(gè)參數(shù)來設(shè)計(jì),不然這個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來都不知道怎么死的。到這里,都是沒什么技術(shù)含量的事情,但是卻是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和宏觀架構(gòu)。
初級(jí)的電解電容是儲(chǔ)能電容,用于在電源工作時(shí)提供能量,因此在市電正弦波上升的時(shí)候給電容充電,下降沿的時(shí)候靠電容給變壓器提供能量。這時(shí)候就涉及到一個(gè)電容的波谷電壓。電源就是通過這個(gè)波谷電壓來選擇電容容量的。
圖1
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通過波谷電壓來算電容容量算是設(shè)計(jì)上的一種習(xí)慣,一般波谷電壓取100V電壓溫升不會(huì)超過40度(溫升是電容溫度-室溫)。但是也有選擇70V甚至60V的,電容溫度一般都跑到了90度以上(此處不是指溫升)。波谷電壓也是計(jì)算變壓器的最小電壓。基本上同一個(gè)電路電容波谷電壓月底,電容溫升越高。電解電容的壽命現(xiàn)在基本上都按照比標(biāo)準(zhǔn)溫度降低10度,電容壽命增加一倍來估計(jì)電解電容壽命。實(shí)際工作中用這個(gè)方法是可行的。電容的計(jì)軟結(jié)果:
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Saber的仿真
現(xiàn)在用saber來仿真電容的ESR參數(shù)特性,目前只仿出來了電容的ESR濾波特性,先看理想電容的頻率特性:
圖2
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加入電容寄生電感后特性(包含PCB線路所產(chǎn)生的電感,設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮),電容濾波就是靠這個(gè)特性的。后面會(huì)在仿真下數(shù)字電路和電源電路ESR的影響。
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電容的ESR
電解電容的ESR數(shù)電和模電中的特性不多說,直接來說ESR在電源中展現(xiàn)出來的特性。在電源中ESR絕對(duì)不是正切值計(jì)算出來那么簡(jiǎn)單的,展現(xiàn)出來的特性是比較復(fù)雜的。還是用saber來把ESR的特性仿真出來。下面的圖中給出理想電容仿真結(jié)果,以便對(duì)比。理想電容的波形是很漂亮的。
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圖9
圖10
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圖11
圖10是整流二極管的電流特性,圖11是ESR的仿真原理圖,最后總結(jié)下ESR特性。
圖12
另外,現(xiàn)在有些電源要測(cè)試連接電源時(shí)的沖擊電流,660uf電容的沖擊電流見圖12,達(dá)到了90A,實(shí)際做方案的時(shí)候需要考慮做開機(jī)啟動(dòng)。
通過上面的仿真,總結(jié)出來電解電容在電源中特性:
二極管給電容充電時(shí)的損耗(主要是寄生電阻損耗):從圖12看出,市電在超過電解電容谷底電壓時(shí)充電,充電電流集中在這一段區(qū)域,電流很大,頻率低而且是正弦波,寄生電感可以忽略;
mos開啟寄生電阻損耗:這個(gè)損耗就是在對(duì)變壓器儲(chǔ)能的時(shí)候,寄生電阻對(duì)電流損耗;
mos開啟寄生電感儲(chǔ)能損耗:這個(gè)損耗就是在對(duì)變壓器儲(chǔ)能的時(shí)候,整個(gè)回路的電感都會(huì)儲(chǔ)能;
mos關(guān)斷寄生電感能量釋放:這個(gè)能量釋放會(huì)產(chǎn)生噪音,影響EMC,所以很多電源電解電容旁邊并聯(lián)個(gè)麥拉電容吸收這個(gè)能量;
所以電解電容在電源中叫濾波電容是針對(duì)市電而言的,對(duì)變換器來講,電容卻變成了一個(gè)損耗器件并會(huì)產(chǎn)生諧波。關(guān)于整流二極管的損耗,這里順便說一下,0.7V是指PN結(jié)的門檻電壓,不是指二極管導(dǎo)通的時(shí)候總電壓,兩邊的硅半導(dǎo)體依然有其電阻率,所以二極管的電壓是0.7V+I^2R(R為引腳電阻和硅半導(dǎo)體電阻)。因此選用電流更大的二極管其寄生電阻更?。ㄒ?yàn)楣璋雽?dǎo)體寬度變寬)。
至于saber的仿真,其實(shí)是在仿真例子電源。5V40A做到90%效率難度是高的,所以必須的掌控好電源的每一個(gè)細(xì)節(jié)才能做到。只要把器件的寄生參數(shù)設(shè)計(jì)的合理,整個(gè)電源的效率在仿真階段就可以檢討了。
在對(duì)高效率設(shè)計(jì)不斷地追求過程中,其實(shí)更多的是在尋找一種全新的設(shè)計(jì)手法,重視從實(shí)際產(chǎn)品入手,憑借經(jīng)驗(yàn)逐步進(jìn)行調(diào)試來完成設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)方式比死磕書本和用公式推算來的有效率,并且隨著技術(shù)的發(fā)展,在未來將有更多的工具誕生來輔助我們進(jìn)行設(shè)計(jì)和定位。