開關電源設計的主體思想！ |
| 添加時間：2020-7-8 10:48:42 出處：恒南電子 作者：恒南電子 點擊：1438 |
很多工程(cheng)(cheng)(cheng)師(shi)都能回想起(qi)自己初(chu)學(xue)電源時(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)情景，從最(zui)基礎的(de)(de)(de)(de)理論基礎開始(shi)，大量的(de)(de)(de)(de)查閱資料(liao)。經歷了迷茫(mang)(mang)和困惑(huo)，用時(shi)(shi)間(jian)一點點的(de)(de)(de)(de)積累。小編將為(wei)大家(jia)整理一系列有關(guan)開關(guan)電源設計的(de)(de)(de)(de)教程(cheng)(cheng)(cheng)，幾(ji)乎包(bao)含了開關(guan)電源的(de)(de)(de)(de)所有拓撲。這些(xie)教程(cheng)(cheng)(cheng)由前工程(cheng)(cheng)(cheng)師(shi)編寫，根(gen)據自身的(de)(de)(de)(de)自學(xue)經驗為(wei)大家(jia)量身打造，希(xi)望能夠幫助(zhu)大家(jia)走(zou)出迷茫(mang)(mang)，盡快邁上正軌。
在本篇文章當中將(jiang)繼(ji)續(xu)分享來(lai)自(zi)前工程師的關于反(fan)激變壓器的設計細(xi)節，這一節是設計的主體(ti)思想，較為重要(yao)，希望大家能夠(gou)充分理解。本篇文章(zhang)以一(yi)款19V、3.42A的適配器主功率回路設(she)計(ji)過(guo)程為中(zhong)心(xin)，來講解一(yi)下反(fan)激式(shi)變(bian)壓器的設(she)計(ji)，主要參(can)數：計算(suan)輸出功率Pout=Iout*Vout=19*3.42=64.98W；這里會出(chu)現一個效率(lv)估算的(de)(de)問題(ti)。效率(lv)η不應該是電源的(de)(de)總(zong)轉換(huan)效率(lv)。這里的(de)(de)效率(lv)應該只包括變壓器損(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)、次級整流(liu)二極(ji)管損(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)，PCB走線損(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)，輸出(chu)線損(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)。Mos管損(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)，整流(liu)橋(qiao)損(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)，前(qian)面的(de)(de)濾波電路的(de)(de)損(sun)(sun)耗(hao)(hao)(hao)，都不應該計(ji)算進(jin)去的(de)(de)。估算(suan)大電(dian)解電(dian)容(rong)上的直(zhi)流電(dian)壓Vdcmax=Vacmax*1.414=264*1.414=373VVdcmin=Vacmin*1.414*90%=108.171V這里為什么要(yao)乘上0.9呢(ni)？是因為在AC輸入低端，Flyback工作在(zai)靠近(jin)最大占空比的(de)(de)位置，此時整(zheng)個(ge)功率回路的(de)(de)增(zeng)益必須保(bao)證有余量，計(ji)算(suan)輸入電(dian)(dian)壓(ya)(ya)應該按照大電(dian)(dian)解(jie)電(dian)(dian)容上(shang)的(de)(de)谷(gu)底(di)(di)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)來進行計(ji)算(suan)。谷(gu)底(di)(di)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)到底(di)(di)是多(duo)少，這個(ge)和所選取的(de)(de)電(dian)(dian)解(jie)電(dian)(dian)容的(de)(de)容量有關(guan)系，具體(ti)怎么計(ji)算(suan)，大家可去(qu)網絡上(shang)查詢，有很多(duo)相關(guan)資料。高壓(ya)端滿載，Flyback工(gong)作在滿載的最小占空比(bi)狀態(tai)，這個時(shi)候需要(yao)注意的是Mos管，二極管上面的電壓應力，而整個電路的增益不(bu)需要考慮的。Mos管上(shang)的(de)電壓應力(li)越(yue)(yue)(yue)低，頻(pin)率(lv)就(jiu)可(ke)以(yi)跑的(de)越(yue)(yue)(yue)高，也(ye)就(jiu)是(shi)輸入電壓越(yue)(yue)(yue)低的(de)產品，頻(pin)率(lv)就(jiu)可(ke)以(yi)跑得高一(yi)(yi)些(xie)，因(yin)為電壓高低對開關電源(yuan)Mos管上(shang)面的(de)交叉損耗，影響非常大。可(ke)觀察一(yi)(yi)下跑到上(shang)M級別頻(pin)率(lv)的(de)開關電源(yuan)，輸入電壓都是(shi)非常低的(de)。對于(yu)全電壓(ya)反激，100K沒問題的(de)(de)(de)。不(bu)要抱著頻率(lv)(lv)(lv)低，效率(lv)(lv)(lv)高這樣的(de)(de)(de)觀點(dian)去設計，其實(shi)這種說法不(bu)科學(xue)的(de)(de)(de)。頻率(lv)(lv)(lv)低，每(mei)秒鐘開關(guan)次數少，開關(guan)損耗感(gan)覺(jue)會小(xiao)一些。但是這個是有前提條件的(de)(de)(de)，前提條件就是對于(yu)已經設計好的(de)(de)(de)變(bian)壓(ya)器，降低頻率(lv)(lv)(lv)，是可以直接(jie)觀察(cha)到效率(lv)(lv)(lv)提高。但是在設(she)計初始階段，就不(bu)一(yi)定了(le)。頻率太(tai)低，變壓器需(xu)要較(jiao)大電感(gan)量，同樣(yang)的(de)磁(ci)芯需(xu)要更多(duo)(duo)的(de)匝數(shu)，骨(gu)架(jia)定了(le)，可利(li)用(yong)的(de)窗口面積一(yi)定，那么較(jiao)多(duo)(duo)的(de)匝數(shu)就不(bu)得不(bu)用(yong)比較(jiao)細的(de)線徑(jing)，這(zhe)樣(yang)就不(bu)利(li)于線損控制(zhi)。較(jiao)多(duo)(duo)的(de)匝數(shu)，會有更大的(de)寄生電容，造成Mos管開通電流沖(chong)過大，損耗不(bu)降(jiang)反增。其實可以在可接受的(de)(de)范圍(wei)內，盡(jin)量提高開關(guan)頻率。因(yin)為變(bian)壓(ya)器溫升處(chu)理，很(hen)多情況下比Mos管更(geng)麻(ma)煩。較高的(de)(de)開關(guan)頻率就可以降低(di)所需電感量，降低(di)匝數(shu)，我們就可以選取更(geng)粗一些的(de)(de)線(xian)徑，同(tong)時變(bian)壓(ya)器寄生參數(shu)會變(bian)得(de)更(geng)好，假如選取合適的(de)(de)工作(zuo)點，Mos管的(de)(de)溫升完全(quan)(quan)可以保證在可以接受的(de)(de)范圍(wei)內。對于全(quan)(quan)電壓(ya)，新(xin)手不(bu)妨以65K作(zuo)為起始(shi)點開始(shi)進行設計。其實全(quan)(quan)電壓(ya)的(de)(de)反激，65-110K都沒(mei)問題的(de)(de)。什么時候(hou)需(xu)(xu)要調整頻(pin)率(lv)呢，對于選定的磁芯，變壓(ya)(ya)器(qi)繞不(bu)下了，在板子(zi)Outline確定的情(qing)況下，不(bu)能更換更大的磁芯，就需(xu)(xu)要提高工作頻(pin)率(lv)，提高了工作頻(pin)率(lv)，對于同樣的輸出(chu)功率(lv)，變壓(ya)(ya)器(qi)繞線的圈數(shu)就會變小。注意一點，頻(pin)率變高，理論(lun)(lun)上(shang)磁芯損耗(hao)會(hui)增(zeng)(zeng)加，但是實(shi)際設計中(zhong)，對于工(gong)作(zuo)在第(di)一象限的(de)連續反(fan)激模式(shi)開關電(dian)源，磁芯損耗(hao)增(zeng)(zeng)加是很有(you)限的(de)。改變電(dian)源的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率，對整機最大(da)的(de)影(ying)響是改變工(gong)作(zuo)頻(pin)率，整機的(de)溫升分布會(hui)發生轉移。頻(pin)率抬高，Mos管、二極管的(de)溫升理論(lun)(lun)上(shang)會(hui)有(you)所增(zeng)(zeng)加，變壓器線包溫升會(hui)下降。提高了(le)開(kai)關頻率，開(kai)關管在一秒鐘內開(kai)關次數變多了(le)，開(kai)關交(jiao)叉(cha)損耗(hao)的(de)次數也變多了(le)，但是開(kai)關管的(de)溫升(sheng)不一定會(hui)變高。因(yin)為變壓(ya)器的(de)寄生參(can)數因(yin)為匝(za)數減(jian)少而變得更好(hao)，寄生電容產生的(de)損耗(hao)很多情況(kuang)下都會(hui)有所改善。頻率變高(gao)，次級整流二(er)極(ji)管(guan)的(de)(de)損耗(hao)會有所增加，因為(wei)二(er)極(ji)管(guan)寄(ji)生(sheng)電(dian)容（與二(er)極(ji)管(guan)并聯）的(de)(de)存(cun)在(zai)，頻率變高(gao)，寄(ji)生(sheng)電(dian)容在(zai)每秒鐘充放(fang)電(dian)的(de)(de)次數也(ye)會隨之增加，而寄(ji)生(sheng)電(dian)容放(fang)電(dian)是通(tong)過二(er)極(ji)管(guan)本身放(fang)電(dian)的(de)(de)，這個(ge)影響(xiang)也(ye)是有限的(de)(de)。回顧一下上面寫的(de)反激(ji)式開(kai)關(guan)電源輸(shu)入輸(shu)出關(guan)系(xi)表達式：Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>Vout=(1/n)(Vin*<D/(1-D))>我們對于一(yi)定的輸入(ru)輸出電壓，要確(que)定一(yi)個合適的主(zhu)回(hui)路(lu)增益。<什么是(shi)增益，就是(shi)Vout/Vindc(大電解電容(rong)上的電壓Vindc)>，所有的拓撲(pu)的設計(ji)，這(zhe)一(yi)步(bu)都(dou)是(shi)必不可(ke)少(shao)的。看一(yi)下與反激式主(zhu)回(hui)路(lu)增益有關的參數，占空比D與變比n。先(xian)說占(zhan)空(kong)比(bi)，D<0.5，在(zai)變比(bi)為1的(de)情(qing)況下，主(zhu)回路增益<1，也就是說，這時候反(fan)激(ji)式(shi)電路是工作(zuo)在(zai)降(jiang)壓(ya)區域。占(zhan)空(kong)比(bi)D>0.5，反(fan)激(ji)式(shi)工作(zuo)在(zai)升壓(ya)區域。變比對(dui)什(shen)么東(dong)西有影響(xiang)(xiang)呢?變比直接影響(xiang)(xiang)到Mos管，輸(shu)出(chu)二(er)(er)極管的電(dian)壓應力，因為我們常規產(chan)品都是市電(dian)輸(shu)入，輸(shu)出(chu)也(ye)是有標準的幾個檔次，常用電(dian)壓一般有5V、12V、24V、48V，這樣子呢，世面(mian)上大量(liang)供貨的Mos管，整流(liu)二(er)(er)極管，也(ye)都有對(dui)應的型號。所以呢，對于一(yi)定的(de)輸入(ru)輸出電壓，我們不能隨(sui)意的(de)去(qu)選(xuan)擇(ze)占空比，這個(ge)都是有可取的(de)范圍的(de)。我們先看一(yi)下Mos管(guan)的(de)電壓應(ying)力。圖(tu)1是(shi)斷續模式的Vds和(he)次級電流對(dui)應(ying)的波形。Mos關斷，次級二極管導通(tong)，變壓(ya)器(qi)次級同名端電(dian)壓(ya)被鉗位到(dao)(dao)Vout+Vf（Vf是整(zheng)流(liu)二極管的(de)正向(xiang)壓(ya)降）。初級Mos管關斷，Mos管上的(de)電(dian)壓(ya)應(ying)力為(wei)Vdc加上變壓(ya)器(qi)次級反(fan)射到(dao)(dao)初級的(de)反(fan)射電(dian)壓(ya)。實際計算的(de)時(shi)候，我們(men)應(ying)該在(zai)(zai)Vdcmax這(zhe)個(ge)點來進行(xing)計算，因為(wei)Mos管一定(ding)是在(zai)(zai)輸入電(dian)壓(ya)最高的(de)時(shi)候電(dian)壓(ya)應(ying)力最大(da)。當然Vds上的(de)電(dian)壓(ya)應(ying)力，除了我們(men)計算出來的(de)平臺(tai)電(dian)壓(ya)，還有因為(wei)寄生參(can)數產生的(de)振鈴尖(jian)峰。所以呢，對于(yu)管(guan)子(zi)耐壓我們(men)都(dou)要(yao)留裕量的(de)，一(yi)般我們(men)取管(guan)子(zi)標稱耐壓的(de)80-90%，具(ju)體要(yao)看產(chan)品的(de)客戶規格書，或者(zhe)自(zi)己公司內部的(de)要(yao)求。變比n同時還(huan)決定輸出整流二極管(guan)的(de)電壓應力，推導(dao)方法和Vsd一(yi)樣，大家可以自(zi)行推導(dao)。其(qi)實我們在實際設計中，不會單獨的(de)去選取變(bian)(bian)比(bi)，而是使用(yong)反激式變(bian)(bian)換器的(de)總(zong)增益公(gong)式，直接選取Dmax，從而得出適合的變(bian)比(bi)n.Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>這個(ge)是(shi)反(fan)激式的(de)輸入(ru)輸出關(guan)系式:Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>Vinmin=Vacmin*1.414*0.9=85*1.414*0.9=108.171VVout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>------>Vout已(yi)知Vin已(yi)知我(wo)們選(xuan)取(qu)合(he)適的D值，就(jiu)會(hui)得到(dao)不同的變比(bi)n。(這里需要注(zhu)意，選取占空比(bi)(bi)，是按照最(zui)(zui)低(di)輸入電(dian)(dian)壓(ya)來選取的(de)(de)(de)(de)，因為我們必須保證在最(zui)(zui)低(di)輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)情況下(xia)，電(dian)(dian)源能夠帶滿載，并(bing)且需要有增益裕量，保證動(dong)態性能。而變(bian)比(bi)(bi)的(de)(de)(de)(de)參數跟最(zui)(zui)大(da)占空比(bi)(bi)是對(dui)應的(de)(de)(de)(de)，觀察反激(ji)式的(de)(de)(de)(de)輸入輸出(chu)增益公式，會發現每(mei)一個最(zui)(zui)大(da)占空比(bi)(bi)對(dui)應一個變(bian)比(bi)(bi)。)把(ba)得(de)到的(de)變比n帶(dai)如上(shang)式，就(jiu)可以(yi)得(de)到對應(ying)的(de)Mos管電壓應(ying)力（平臺），輸出二極管電壓應(ying)力，根據實(shi)際可選(xuan)的(de)Mos管，二極管的(de)耐壓，就(jiu)可以(yi)選(xuan)出合(he)適的(de)可用占空(kong)比。不(bu)要感覺很麻煩，實際設(she)計(ji)(ji)過(guo)程中，很多(duo)參(can)數(shu)都需(xu)要反(fan)復(fu)迭代的，但并不(bu)提倡(chang)大家進行手(shou)算。下手(shou)計(ji)(ji)算第(di)一(yi)容易出錯(cuo)，第(di)二，效率很低，推薦(jian)一(yi)定要用(yong)合適的軟件，比如(ru)Mathcad，Excel，把(ba)公式做成計(ji)(ji)算表，我們只需(xu)要根(gen)據(ju)自己的分析(xi)判斷輸入參(can)數(shu)，計(ji)(ji)算由電腦來完成。上(shang)面提(ti)及(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)知識(shi)都是是否能夠充分(fen)理(li)解變壓器(qi)設計的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)思想。希(xi)望大家能夠充分(fen)理(li)解。從事電源工程師行(xing)業，實(shi)踐經驗的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重要(yao)性(xing)要(yao)遠(yuan)遠(yuan)大于基礎理(li)論的(de)(de)(de)(de)(de)(de)學習，知識(shi)都是在(zai)問(wen)題的(de)(de)(de)(de)(de)(de)解決和實(shi)踐中學習到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，而不是對著(zhu)書本死磕理(li)論得來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。
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