【很完整】牛人教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型

【很完整】牛人教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型。...

1 开关电源介绍



此文档是作为张占松高级开关电源设计之后的强化培训，基于计划安排，由申工讲解了变压器设计之后，在此文章中简单带过变压器设计原理，重点讲解电路工作原理和设计过程中关键器件计算与选型。

开关电源的工作过程相当容易理解，其拥有三个明显特征：

开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态

高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频

直流：开关电源输出的是直流而不是交流 也可以输出高频交流如电子变压器

1.1 开关电源基本组成部分



1.2 开关电源分类：

开关电源按照拓扑分很多类型：buck boost 正激 反激 半桥 全桥 LLC 等等，但是从本质上区分，开关电源只有两种工作方式：正激：是开关管开通时传输能量，反激：开关管关断时传输能量。

下面将以反激电源为例进行讲解。

1.3 反激开关电源简介

反激又被称为隔离buck-boost 电路。基本工作原理：开关管打开时变压器存储能量，开关管关断时释放存储的能量



反激开关电源根据开关管数目可分为双端和单端反激。

根据反激变压器工作模式可分为CCM 和DCM 模式反激电源。

根据控制方式可分为PFM 和PWM 型反激电源。

根据驱动占空比的产生方式可分为电压型和电流型反激开关电源。

我们所要讲的反激电源精确定义为：电流型PWM 单端反激电源。

1.4 电流型PWM 单端反激电源

此类反激电源优点：结构简单价格便宜，适用小功率电源。

此类反激电源缺点：功率较小，一般在150w 以下，纹波较大，电压负载调整率低，一般大于5%。

此类反激电源设计难点主要是变压器的设计，特别是宽输入电压，多路输出的变压器。


2 举例讲解设计过程 



为了更清楚了解设计中详细计算过程，我们将以220VAC-380VAC 输入，+5V±3%（5A），±15±5%（0.5A）三路共地输出反激电源为例讲解设计过程。

提出上面要求，选择思路如下：

电源总输出功率P=5*5W+15*0.5*2=40W 功率较小，可以选择反激开关电源。

反激电源功率只有40W 又属于多路输出，+5V±3%，纹波±150mV，±15±5%。5V 要求精度高，所以5v 作为电源主反馈。考虑到5V 对±15V 的交叉控制能力，开关电源选用断续模式（DCM）。

芯片供电线圈选用15V 输出，但是其功率很小，计算过程中忽略不计。

电源功率较小，输入电压变化范围只有±30%，所以不需要PFC 电路。

电源总体电路框图设计如下：




3 输入电路 



输入电路包括防雷单元，EMI 电路和整流滤波电路。下图为常见开关电源输入回路：



3.1.1 防雷单元

基于压敏电阻和陶瓷气体放电管的防雷电路使用的比较多，电路简单价格便宜。

●MOV1，MOV2 ，MOV3 为压敏电阻，用来吸收雷击的浪涌电压，保护后面的电路，是防雷单元的主要元件。

●加入保险丝F2，F3，以及气体放电管FDG 的其主要是安全要求，因为压敏电阻的失效模式特点，在遭受雷击或长时间老化后，压敏电阻电压等级会降低，有可能低于电网电压，导致其功耗变大甚至短路，加入保险以及气体放电管，保证压敏出现故障不会造成短路。

●保险丝F1 一方面是保护后面电路出现故障时断开，另一方面，它也有防雷效果，在遭受雷击时，会有浪涌电流涌入MOV3，有可能导致保险F1 断开，但是如果想要有抗雷击效果，需要使用快速保险。

3.1.2 EMI 电路

由于开关电源工作在高频状态及其高di/dt 和高dv/dt，使开关电源存在非常突出的缺点——容易产生比较强的电磁干扰(EMI)信号。其EMI 信号不但具有很宽的频率范围，还具有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。设计EMI 电路是为了抑制开关电源工作产生的辐射及传导干扰对电网的影响。

●EMI 电路中：C1、L1、C2、C3，C4 组成的双π型滤波网络，C1，C4 为X 电容，滤除差模干扰，C2，C3 为Y2 电容，滤除共模干扰。其中L1 为共模电感，能够抑制共模信号。L1 的漏感为差模电感，抑制高频差模信号。C7 为Y2 电容，其在整流桥电流换向时，整流桥断开，输入与滤波电容完全隔开，滤波电容以后处于悬浮状态，所以加入电容C7，在整流桥换向过程中抑制EMI。

●EMI 电路对电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。

●R1，R2 是安规要求,其主要作用是为了给X 电容放电。需要在较短的时间内将X 电容的电压降低到安全电压一下。

●当电源开启瞬间，要对 C5 充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1 电阻上，一定时间后温度升高后RT1 阻值减小（RT1 是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。

3.1.3 整流滤波电路

●交流电压经BRG1 整流后，经C5 滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5 容量变小，输出的交流纹波将增大，所以选着合适的C5 对于系统稳定非常重要。

●经验选取：一般没有PFC 的380VAC 开关电源C5 按照1.5-2.5uF/w 来选。按照这个标准可以满足绝大部分电源滤波要求。具体不同要根据环境温度，温度高电容要取大一些。

●电容C6 为一高频薄膜电容，它在整流桥换向时提供能量和回路，对电源传导干扰有明显抑制作用。

以上元器件参数不是计算得到的，而是进行了EMI 整改和雷击实验的时候确定最终参数。对于电容C5 可以选择100uf/350V 电解电容串联。对于上一部分设计，我们公司一般都是直流母线直接输入，所以C5 选取可以小一些。

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4 关键电路计算：



功率变换是设计的关键部分，其设计过程主要包括功率元件选择和开关变压器设计，其中开关变压器设计是开关电源设计工作中最重要的部分，其设计的结果直接决定了开关电源的性能，本文主要讲解电路原理。

4.1 开关变压器

4.1.1 变压器设计要点

对于40W 的反激开关电源，变压器工作在DCM 模式比较好。



●该电源5V 输出为5A ，为了提高5V 控制力，使用铜箔，增加耦合系数。

●由于该电源设计为多路共地输出，+15V 与-15V 双线并绕，提高交叉调节能力。

●初级线圈分成两部分，使用三明治绕法，减小漏感。

●铁芯 ：有许多厂家的铁芯可被用作反激变压器。下面的材料适合使用： PC40 或PC44 3C85、3C90 或 3F3 。反激变压器一般用 E 形磁芯，原因是它成本低、易使用。其它类型磁芯如 EF、EFD、ETD、EER 和 EI 应用在有高度等特殊要求的场合。RM、.toroid 和罐形磁芯由于安全绝缘要求的原因不适合使用。低外形设计时EFD 较好，大功率设计时 ETD 较好，多路输出设计时 EER 较好。

●骨架 ：对骨架的主要要求是确保满足安全爬电距离，初、次级穿过磁芯的引脚距离，要求以及初、次级绕组面积距离的要求。骨架要用能承受焊接温度的材料制作。

●绝缘胶带 ：聚酯和聚酯薄膜是用作绝缘胶带最常用的形式，它能定做成所需的基本绝缘宽度或初、次级全绝缘宽度。边沿胶带通常较厚少数几层就能达到要求，它通常是聚酯胶带。

4.1.2 变压器详细计算

以上面的一个实例来讲一下计算过程。

1.确定电源规格.

1).输入电压范围 Vin=220—380Vac;

2).输出电压/负载电流:Vout1=5V/1A,Vout2=15V/0.5A，Vout3=-15V/0.5A;

3).变压器的效率 ŋ=0.90

2. 工作频率和最大占空比确定.

取:工作频率 fosc=100KHz, 最大占空比 Dmax=0.45. (取小于0.5 是由退磁伏秒积决定的)

Tosc=1/fosc=10us.Ton(max)=0.45*25=4.5us

Toff=10-4.5=5.5us.

3. 计算变压器初与次级匝数比 n(Np/Ns=n).

最低输入电压 Vin(min)=220*√2-20=280Vdc(取低频纹波为 30V).

根据伏特-秒平衡,有: Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n.

其中Vout 为主反馈，因为主反馈电压是稳定的，是真正控制变压器的信号推得：

n= [Vin(min)* Dmax]/ [(Vout1+Vf1)*(1-Dmax)] =[280*0.45]/[(5+0.8)*0.55]=39.5

由于5V 输出电流为5A，所以5V 整流二极管使用大电流肖特基，压降近似取0.8V

4. 变压器初级峰值电流的计算.

设+5V 输出电流的过流点为 120%;+5v 整流二极管的正向压降为0.8V 和±15v 整流二极管的正向压降 1.0V.

●+5V 输出功率 :Pout1=(Vout1+Vf1)*Iout1*120%=(5+0.8)*5*1.2=34.8W

●+15V 输出功率 Pout2=(Vout2+Vf2)*Iout2=16*0.5=8W

●-Pout3=(Vout3+Vf3)*Iout3=16*0.5=8W

变压器次级输出总功率 Pout=Pout1+Pout2+ Pout3=51W

由于工作在断续模式，所以一个周期输入的能量全部输出。



根据能量守恒：

Vin(min)*0.5*Ipp*Dmax*Tosc*fosc=Pout/ ŋ

所以Ipp= Pout/ (ŋ* Vin(min)*0.5*Dmax)=51/(0.9*280*0.5*0.45) =0.9A

5. 变压器初级电感量的计算.

由式子 Vdc=Lp*di/dt,得:

Lp= Vin(min)*Ton(max)/Ipp = 280*4.5/0.9 uH=1.4mH

6.变压器铁芯的选择.

根据经验式子 Aw*Ae=Pt*106/[2*ko*kc*fosc*Bm*j*ŋ],其中:

Pt(变压器的标称输出功率)= Pout=23W ，Ko(窗口的铜填充系数)=0.3（电压较高Ko 较小），Kc(磁芯填充系数)=1(对于铁氧体), 变压器磁通密度 Bm=2700 Gs ,过载时Bm=3000GS， j(电流密度): j=4.5A/mm。

Aw*Ae=51*106/[2*0.3*1*100*103*2700Gs*4.5*0.90] =0.9cm4

考虑到绕线空间,选择窗口面积大的磁芯,查表:





EE19 铁氧体磁芯的有效截面积 Ae=0.22cm2

它的窗口面积 Aw=0.50cm2

EE19 的功率容量乘积为

Ap =Ae*Aw=0.11cm4 >0.09cm4

故选择EE19 铁氧体磁芯满足条件

7.变压器初级匝数及气隙长度的计算.

1).由 Np=Lp*Ipp/[Ae*Bm],得:

Np=1400*0.9/(22.8*0.3)= 取 Np=184

由 Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:

气隙长度 lg=uo*ur*Ae*Np2/Lp =4π*10-7* 184^2*22.8/1.4=0.66mm 取 lg=0.7mm

2). 当+5V 限流输出,Ipp 为最大时(Ipp=0.9A),检查 Bmax.

Bmax=Lp*Ipp/[Ae*Np] =1.4*10-3*0.9/（22.8*10-6 *184）=0.307T=3070Gs

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