開關電源設計的主體思想！ |
| 添加時間：2020-7-8 10:52:06 出處：恒南電子 作者：恒南電子 點擊：1361 |
很多(duo)工程(cheng)師都能回(hui)想起自(zi)己初學電源時的(de)(de)(de)情景，從最基(ji)(ji)礎的(de)(de)(de)理論基(ji)(ji)礎開始，大(da)(da)(da)量的(de)(de)(de)查閱資料(liao)。經歷(li)了迷(mi)茫和困惑，用時間(jian)一(yi)點點的(de)(de)(de)積累。小編將為(wei)大(da)(da)(da)家整理一(yi)系列(lie)有關(guan)開關(guan)電源設(she)計的(de)(de)(de)教程(cheng)，幾乎包含了開關(guan)電源的(de)(de)(de)所有拓撲(pu)。這些教程(cheng)由(you)前(qian)工程(cheng)師編寫，根據(ju)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)自(zi)學經驗為(wei)大(da)(da)(da)家量身(shen)打(da)造，希望能夠幫(bang)助(zhu)大(da)(da)(da)家走出迷(mi)茫，盡快邁上正軌。
在本篇文章當中將繼續分享來(lai)自(zi)前工程師的關于(yu)反激變(bian)壓(ya)器的設(she)(she)計細(xi)節，這一節是設(she)(she)計的主體思想(xiang)，較為重要，希望(wang)大家能夠充分理(li)解。本(ben)篇文章以一(yi)款19V、3.42A的(de)適配(pei)器主功率回路設計過程為中心，來講解一(yi)下反激式(shi)變壓(ya)器的(de)設計，主要參數：計算輸出功率Pout=Iout*Vout=19*3.42=64.98W；這里會(hui)出現一(yi)個效率(lv)(lv)估(gu)算(suan)的問題(ti)。效率(lv)(lv)η不(bu)應(ying)該(gai)(gai)是電(dian)源的總轉換效率(lv)(lv)。這里的效率(lv)(lv)應(ying)該(gai)(gai)只包括(kuo)變壓器損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)、次(ci)級整流二(er)極管損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)，PCB走線損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)，輸出線損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)。Mos管損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)，整流橋損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)，前(qian)面的濾波電(dian)路(lu)的損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)，都不(bu)應(ying)該(gai)(gai)計算(suan)進去(qu)的。估(gu)算(suan)大電解電容上的(de)直流(liu)電壓Vdcmax=Vacmax*1.414=264*1.414=373VVdcmin=Vacmin*1.414*90%=108.171V這里為(wei)什么要(yao)乘(cheng)上0.9呢？是因為(wei)在AC輸入(ru)低端(duan)，Flyback工作在靠(kao)近最大占(zhan)空比的(de)(de)位置，此時整(zheng)個功(gong)率回路的(de)(de)增益(yi)必須保證有(you)余量，計(ji)算(suan)輸入(ru)電(dian)壓(ya)應(ying)該按照大電(dian)解(jie)電(dian)容上的(de)(de)谷底電(dian)壓(ya)來(lai)進行計(ji)算(suan)。谷底電(dian)壓(ya)到底是多少(shao)，這個和所(suo)選取的(de)(de)電(dian)解(jie)電(dian)容的(de)(de)容量有(you)關系，具體怎么計(ji)算(suan)，大家可(ke)去網絡上查詢，有(you)很多相關資(zi)料。高壓(ya)端滿(man)載，Flyback工(gong)作在滿(man)載的(de)最(zui)小占空(kong)比狀(zhuang)態，這個時候需要(yao)注意(yi)的(de)是Mos管(guan)，二極管(guan)上面的(de)電壓應力，而整個電路的(de)增益不需要考慮(lv)的(de)。Mos管上的電壓(ya)應力越低(di)(di)(di)，頻率就(jiu)可(ke)以跑的越高，也就(jiu)是(shi)輸入電壓(ya)越低(di)(di)(di)的產品，頻率就(jiu)可(ke)以跑得高一些，因為電壓(ya)高低(di)(di)(di)對開關電源(yuan)Mos管上面的交(jiao)叉損耗，影響非常大。可(ke)觀(guan)察一下跑到上M級別頻率的開關電源(yuan)，輸入電壓(ya)都(dou)是(shi)非常低(di)(di)(di)的。對于(yu)(yu)全電壓(ya)反激，100K沒問題的(de)。不要抱(bao)著(zhu)頻率低(di)(di)，效(xiao)率高(gao)這樣(yang)的(de)觀點去設計，其(qi)實這種說法不科學的(de)。頻率低(di)(di)，每(mei)秒鐘開關(guan)次數少，開關(guan)損耗感覺會(hui)小一些。但是(shi)這個是(shi)有前提條(tiao)件的(de)，前提條(tiao)件就(jiu)是(shi)對于(yu)(yu)已經設計好的(de)變壓(ya)器，降低(di)(di)頻率，是(shi)可以直接觀察到效(xiao)率提高(gao)。但是在設計(ji)初始階段(duan)，就不(bu)一定了。頻率太(tai)低(di)，變壓器需要(yao)較大電(dian)感量，同樣的(de)磁芯需要(yao)更(geng)多(duo)的(de)匝數(shu)，骨架定了，可利(li)用的(de)窗(chuang)口面積一定，那么較多(duo)的(de)匝數(shu)就不(bu)得不(bu)用比較細(xi)的(de)線徑，這樣就不(bu)利(li)于線損(sun)(sun)控制。較多(duo)的(de)匝數(shu)，會有更(geng)大的(de)寄生電(dian)容，造成(cheng)Mos管開通電(dian)流沖(chong)過(guo)大，損(sun)(sun)耗不(bu)降反增。其(qi)實可(ke)(ke)以(yi)(yi)在(zai)(zai)可(ke)(ke)接受的(de)范圍(wei)內，盡量提高開(kai)(kai)關頻率。因為(wei)變(bian)壓(ya)(ya)器溫升處理(li)，很多情況下比Mos管更(geng)(geng)(geng)麻(ma)煩。較高的(de)開(kai)(kai)關頻率就可(ke)(ke)以(yi)(yi)降低所需電感量，降低匝(za)數(shu)(shu)，我們就可(ke)(ke)以(yi)(yi)選(xuan)(xuan)取更(geng)(geng)(geng)粗一些的(de)線徑(jing)，同(tong)時變(bian)壓(ya)(ya)器寄生參數(shu)(shu)會(hui)變(bian)得更(geng)(geng)(geng)好，假如選(xuan)(xuan)取合(he)適的(de)工作點(dian)，Mos管的(de)溫升完全(quan)可(ke)(ke)以(yi)(yi)保(bao)證在(zai)(zai)可(ke)(ke)以(yi)(yi)接受的(de)范圍(wei)內。對(dui)于全(quan)電壓(ya)(ya)，新手不妨(fang)以(yi)(yi)65K作為(wei)起始(shi)點(dian)開(kai)(kai)始(shi)進行設計。其(qi)實全(quan)電壓(ya)(ya)的(de)反激(ji)，65-110K都沒問題的(de)。新手大(da)可(ke)以65K作為設計(ji)出發點。什么(me)時候需(xu)要調整頻率呢，對于選定(ding)的磁(ci)芯(xin)，變壓器(qi)繞(rao)不下(xia)(xia)了(le)，在板(ban)子Outline確定(ding)的情況下(xia)(xia)，不能更換更大的磁(ci)芯(xin)，就需(xu)要提(ti)高工(gong)作頻率，提(ti)高了(le)工(gong)作頻率，對于同樣的輸出功(gong)率，變壓器(qi)繞(rao)線(xian)的圈數就會變小。注(zhu)意一點，頻(pin)(pin)率(lv)變高，理論上磁(ci)芯損耗會(hui)增加(jia)(jia)，但是(shi)實際(ji)設(she)計中，對于工作在第一象(xiang)限(xian)的(de)(de)連續反激模式開關電(dian)源，磁(ci)芯損耗增加(jia)(jia)是(shi)很有限(xian)的(de)(de)。改(gai)變電(dian)源的(de)(de)工作頻(pin)(pin)率(lv)，對整機(ji)最大的(de)(de)影響(xiang)是(shi)改(gai)變工作頻(pin)(pin)率(lv)，整機(ji)的(de)(de)溫(wen)升(sheng)分布會(hui)發生(sheng)轉移。頻(pin)(pin)率(lv)抬高，Mos管、二極管的(de)(de)溫(wen)升(sheng)理論上會(hui)有所(suo)增加(jia)(jia)，變壓器線包(bao)溫(wen)升(sheng)會(hui)下降。提高(gao)了(le)開關(guan)(guan)頻率，開關(guan)(guan)管在一(yi)秒鐘(zhong)內開關(guan)(guan)次數(shu)變多了(le)，開關(guan)(guan)交叉損耗的次數(shu)也變多了(le)，但是開關(guan)(guan)管的溫升不一(yi)定會(hui)(hui)變高(gao)。因為(wei)變壓器的寄生參數(shu)因為(wei)匝數(shu)減(jian)少而變得更好(hao)，寄生電容產生的損耗很多情況下都會(hui)(hui)有所(suo)改(gai)善。頻率(lv)變(bian)高(gao)，次級整(zheng)流二(er)(er)極管的(de)(de)損耗會有所增加，因為二(er)(er)極管寄生(sheng)電(dian)容(rong)(rong)（與二(er)(er)極管并聯(lian)）的(de)(de)存在，頻率(lv)變(bian)高(gao)，寄生(sheng)電(dian)容(rong)(rong)在每秒鐘(zhong)充放電(dian)的(de)(de)次數也(ye)會隨之增加，而寄生(sheng)電(dian)容(rong)(rong)放電(dian)是(shi)通(tong)過二(er)(er)極管本身放電(dian)的(de)(de)，這個影響(xiang)也(ye)是(shi)有限的(de)(de)。回顧一(yi)下(xia)上面寫(xie)的(de)反激式(shi)開關電源輸入輸出關系表達式(shi)：Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>Vout=(1/n)(Vin*<D/(1-D))>我們對于(yu)一(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)(de)輸入輸出電(dian)壓，要確定一(yi)(yi)(yi)個(ge)合適的(de)(de)(de)主回(hui)路增益(yi)。<什么是(shi)增益(yi)，就是(shi)Vout/Vindc(大(da)電(dian)解電(dian)容上的(de)(de)(de)電(dian)壓Vindc)>，所(suo)有(you)(you)的(de)(de)(de)拓撲的(de)(de)(de)設計，這一(yi)(yi)(yi)步都(dou)是(shi)必(bi)不可少的(de)(de)(de)。看一(yi)(yi)(yi)下與(yu)反激式主回(hui)路增益(yi)有(you)(you)關的(de)(de)(de)參(can)數，占空比D與(yu)變比n。先說占空比，D<0.5，在(zai)變比為1的情(qing)況下，主回路增益<1，也就是說，這時候反(fan)激(ji)式(shi)(shi)電(dian)路是工作在(zai)降(jiang)壓(ya)區域(yu)。占空比D>0.5，反(fan)激(ji)式(shi)(shi)工作在(zai)升壓(ya)區域(yu)。變比(bi)對什么東西有影(ying)響呢(ni)?變比(bi)直接影(ying)響到Mos管(guan)，輸(shu)出二極(ji)管(guan)的電壓應力，因為(wei)我們常規(gui)產(chan)品(pin)都(dou)是市電輸(shu)入，輸(shu)出也是有標準的幾(ji)個(ge)檔次，常用電壓一般有5V、12V、24V、48V，這(zhe)樣子呢(ni)，世面上大量供(gong)貨的Mos管(guan)，整流二極(ji)管(guan)，也都(dou)有對應的型號(hao)。所以呢(ni)，對于一定的(de)輸入輸出電壓，我們(men)不能隨意(yi)的(de)去選擇占空比，這個都(dou)是有可(ke)取的(de)范圍的(de)。我們(men)先看一下Mos管(guan)的(de)電壓應力(li)。圖1是斷續模式的Vds和次級電流對應(ying)的波形。Mos關斷(duan)，次級二極管(guan)(guan)導通，變(bian)壓(ya)(ya)(ya)器次級同名端(duan)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)被鉗位到Vout+Vf（Vf是整(zheng)流二極管(guan)(guan)的正向(xiang)壓(ya)(ya)(ya)降(jiang)）。初(chu)(chu)級Mos管(guan)(guan)關斷(duan)，Mos管(guan)(guan)上的電(dian)壓(ya)(ya)(ya)應(ying)(ying)力(li)為(wei)Vdc加上變(bian)壓(ya)(ya)(ya)器次級反射(she)到初(chu)(chu)級的反射(she)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)。實(shi)際計(ji)算的時候(hou)，我們(men)應(ying)(ying)該在Vdcmax這(zhe)個點來(lai)進行計(ji)算，因為(wei)Mos管(guan)(guan)一定是在輸入(ru)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)最(zui)高的時候(hou)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)應(ying)(ying)力(li)最(zui)大。當(dang)然Vds上的電(dian)壓(ya)(ya)(ya)應(ying)(ying)力(li)，除了我們(men)計(ji)算出來(lai)的平臺電(dian)壓(ya)(ya)(ya)，還有因為(wei)寄(ji)生參數(shu)產生的振鈴尖峰(feng)。所以呢，對(dui)于管子耐(nai)壓(ya)我們都要(yao)(yao)留(liu)裕量的(de)(de)，一(yi)般我們取管子標稱耐(nai)壓(ya)的(de)(de)80-90%，具(ju)體要(yao)(yao)看(kan)產品的(de)(de)客戶規格書，或者自己公司(si)內(nei)部的(de)(de)要(yao)(yao)求。變比n同時還決定輸(shu)出(chu)整流(liu)二極管的(de)(de)電壓(ya)應力，推(tui)導方法(fa)和(he)Vsd一(yi)樣，大家可以自行推(tui)導。其實我們在實際設計中，不會單(dan)獨(du)的(de)(de)去選取變(bian)比，而是(shi)使用反(fan)激式變(bian)換器的(de)(de)總增益公(gong)式(shi)，直(zhi)接選取Dmax，從而得出適合的(de)變比n.Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>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已知(zhi)(zhi)Vin已知(zhi)(zhi)我們選取(qu)合(he)適的(de)D值，就會得到不同(tong)的(de)變比n。(這里需(xu)要注意，選取占(zhan)(zhan)空(kong)比(bi)，是按照(zhao)最低輸(shu)(shu)入電(dian)壓(ya)來選取的(de)(de)，因(yin)為我們必須(xu)保證在最低輸(shu)(shu)出電(dian)壓(ya)的(de)(de)情況(kuang)下(xia)，電(dian)源能(neng)夠帶滿載，并(bing)且需(xu)要有增(zeng)益裕量，保證動(dong)態性(xing)能(neng)。而(er)變比(bi)的(de)(de)參(can)數(shu)跟(gen)最大(da)占(zhan)(zhan)空(kong)比(bi)是對應的(de)(de)，觀察反激式的(de)(de)輸(shu)(shu)入輸(shu)(shu)出增(zeng)益公式，會發現(xian)每一個最大(da)占(zhan)(zhan)空(kong)比(bi)對應一個變比(bi)。)把得到(dao)的變比(bi)n帶如(ru)上(shang)式(shi)，就可(ke)(ke)以得到(dao)對應(ying)(ying)的Mos管(guan)(guan)電壓應(ying)(ying)力(li)(li)（平臺），輸出(chu)二極管(guan)(guan)電壓應(ying)(ying)力(li)(li)，根(gen)據實際可(ke)(ke)選的Mos管(guan)(guan)，二極管(guan)(guan)的耐壓，就可(ke)(ke)以選出(chu)合適(shi)的可(ke)(ke)用占空比(bi)。不要(yao)(yao)感覺很(hen)(hen)(hen)麻煩，實際設計(ji)過程中，很(hen)(hen)(hen)多(duo)參數都需要(yao)(yao)反復迭代的(de)，但并不提倡大家進行手(shou)算(suan)。下手(shou)計(ji)算(suan)第(di)(di)一容(rong)易出(chu)錯，第(di)(di)二，效(xiao)率很(hen)(hen)(hen)低，推薦(jian)一定要(yao)(yao)用(yong)合適的(de)軟件，比如Mathcad，Excel，把公式做成(cheng)計(ji)算(suan)表，我們只需要(yao)(yao)根據自(zi)己的(de)分析判斷輸(shu)入參數，計(ji)算(suan)由電(dian)腦來(lai)完成(cheng)。上面提(ti)及的(de)知識(shi)都(dou)是是否能夠充分(fen)(fen)理(li)解(jie)變壓器設計的(de)主要(yao)思想。希望大(da)家能夠充分(fen)(fen)理(li)解(jie)。從(cong)事電(dian)源工(gong)程(cheng)師行業(ye)，實踐(jian)經驗的(de)重要(yao)性要(yao)遠(yuan)遠(yuan)大(da)于基礎理(li)論的(de)學(xue)(xue)習，知識(shi)都(dou)是在問題的(de)解(jie)決和實踐(jian)中學(xue)(xue)習到的(de)，而(er)不是對著書本死磕理(li)論得來的(de)。
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