开关电源参数计算(精)

1.原理图2.技术指标(1输入电压:185VAC~240VAC(2输出电压1:+5VDC,额定电流1A,最小电流750mA;(3输出电压2:+12VDC,额定电流1A,最小电流100mA;(4输出电压3:-12VDC,额定电流1A,最小电流100mA;(5输出电压4:+24VDC,额定电流1.5A,最小电流250mA;(6输出电压纹波:+5V,±12V:最大100mV(峰峰值;+24V:最大250mV(峰峰值(7输出精度:+5V,±12V:最大±5%;+24V:最大±10%;(8效率:大于80%3.参数计算(1输出功率:5V112V1224V1.565outPAAAW=⨯+⨯⨯+⨯=(3-1(2输入功率:6581.2580%0.8outinPWPW===(3-2(3直流输入电压:采用单相桥式不可控整流电路(max240VAC1.414=340VDCinV=⨯(3-3(min185VAC1.414=262VDCinV=⨯(3-4(4最大平均电流:(max(min81.250.31262inininPWIAVV===(3-5(5最小平均电流:(min(max81.250.24340inininPWIAV===(3-6(6峰值电流:可以采用下面两种方法计算,本文采用式(3-8的方法。(minmax(min(min225581.251.550.4262outoutoutPkCinininPPPWIIAVDVVV⨯======⨯(3-7min5.55.581.251.71262outPkCinPWIIAVV⨯====(3-8(7散热:基于MOSFET的反激式开关电源的经验方法:损耗的35%是由MOSFET产生,60%是由整流部分产生的。开关电源的损耗为:(180%81.2520%16.25DinPPWW=⨯-=⨯=(3-9MOSFET损耗为:35%16.2535%5.69DMOSFETDPPWW-=⨯=⨯=(3-10整流部分损耗:(555(60%(16.2560%0.756565DVDWWPP=⨯⨯=⨯⨯=(3-11(1212122(60%2(16.2560%3.66565DVDWWPP±=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=(3-12(2423636(60%(16.2560%5.46565DVDWWPP=⨯⨯=⨯⨯=(3-13(8变压器磁芯:采用天通的EER40/45,饱和磁通密度Bs在25℃时大于500mT,在100℃时大于390mT。窗口有效截面积Ae=152.42mm2。所以,取max110.390.222sBBTT==⨯≈(3-14Ae=152.42mm2(3-15(9开关电源频率:40fkhz=(3-16(10开关电源最大占空比:max0.4D=(3-17(11初级绕组电感最小值Lpri:in(minmaxpripk2620.41.531.7140VDVLmHIfAKHz⨯===⨯(3-18在每个开关管导通的每个周期中,存储在磁芯的能量为:2storedpripk1ELI2=(3-19要验证变压器最大连续输出功率能否满足负载所需的最大功率,可以使用下式:2in(corepripkout1PLIfP2=(3-20(12气隙:为了防止饱和所要加的气隙:2pripkgap2emax0.4LIlABπ=(3-21maxB:单位为特斯拉T;gapl:单位是厘米;priL:单位为H;pkI:单位为A;eA:单位为cm2;232pripkgap222emax0.40.41.53101.710.092166152.42100.2LIlcmABππ--⨯⨯⨯===⨯⨯(13初级绕组匝数:4pripkpriemax(LI10NAB=(3-22maxB:单位为特斯拉T;priL:单位为H;pkI:单位为A;eA:单位为cm2;434pripkpri2emax(LI101.53101.7110N85.82586AB152.42100.2=--⨯⨯⨯==≈⨯⨯(14+5VDC次级绕组匝数:priout(nfwd(nmaxout(nin(minmaxN(VV(1NVDD+-=(3-23fwdVVV=+整流二极管正向降波感正向降滤电压(3-24out(nN是第n个次级绕组的匝数;out(nV是第n个次级绕组的输出电压;fwd(nV是第n个次级绕组的输出整流器的电压降;priout(nfwd(nmaxout(+5Vin(minmaxN(VV(186(51(10.4N3V2620.4DD+-⨯+⨯-===⨯(15+12VDC次级绕组匝数:priout(nfwd(nmaxout(+12Vin(minmaxN(VV(186(121(10.4N6.47V2620.4DD+-⨯+⨯-===≈⨯(16-12VDC次级绕组匝数:priout(nfwd(nmaxout(+12Vin(minmaxN(VV(186(121(10.4N6.47V2620.4DD+-⨯+⨯-===≈⨯(17+24VDC次级绕组匝数:priout(nfwd(nmaxout(+24Vin(minmaxN(VV(186(241(10.4N12.313V2620.4DD+-⨯+⨯-===≈⨯(18自馈绕组匝数:(aUC3842VON=16V,VOFF=10V,Dmax=100%。选择自馈绕组输出电压为15V。priout(nfwd(nmaxfb(+15Vin(minmaxN(VV(186(152(10.4N8.49V2620.4DD+-⨯+⨯-===≈⨯(bUC3843VON=8.4V,VOFF=7.6V,Dmax=100%。选择自馈绕组输出电压为10V。priout(nfwd(nmaxfb(+10Vin(minmaxN(VV(186(102(10.4N5.96V2620.4DD+-⨯+⨯-===≈⨯(cUC3844VON=16V,VOFF=10V,Dmax=50%。选择自馈绕组输出电压为15V。priout(nfwd(nmaxfb(+10Vin(minmaxN(VV(186(152(10.4N8.39V2620.4DD+-⨯+⨯-===≈⨯(dUC3845VON=8.4V,VOFF=7.6V,Dmax=50%。选择自馈绕组输出电压为10V。priout(nfwd(nmaxfb(+10Vin(minmaxN(VV(186(102(10.4N5.96V2620.4DD+-⨯+⨯-===≈⨯(19选择绕组线径:根据应用指南或经验法则,反激变换器电流密度(指电流有效值一般取400cmil/A,即5A/mm2。对于+5VDC,其额定电流为1A,所要线径取0.55mm,即0.24mm2;对于+12VDC,其额定电流为1A,所要线径取0.55mm;对于-12VDC,其额定电流为1A,所要线径取0.55mm;对于+24VDC,其额定电流为1A,所要线径取0.65mm,即0.33mm2;(20变压器初级绕组反激电压:变压器初级的反激电压PV也称为尖峰电压。(maxmax340566110.4inPVVVVD===--(3-25或者按照下式ORin(max(1.5~2(1.5~2340510~680PVVVVVV===*=(3-26(21输入整流部分:(a输入滤波电容Cin输入电压较宽时,一般取比例系数3uF/W,即每瓦输出功率对应3uF的电容量。如果输入电压比较稳定(如蓄电池输入,一般取比例系数1uF/W,即每瓦输出功率对应1uF的电容量。为了降低输入电压纹波,一般把输入电容滤波电容用多个并联使用,以降低电容的ESR值。输入滤波电容上还要并上一个或两个陶瓷电容(约0.1uF,以吸收纹波电流的高频分量。这里取3uF/W,即3/65195200inCuFWWuFuF=⨯=≈(3-27因为最大直流电压值为340VDC,所以输入滤波电容的耐压值按1.5倍的裕量,取500V。(b输入整流二极管:对于交流离线式变换器,二极管的耐压值取(1.81.8*220400WinRMSVVVV==(3-28开关电源的最大输入平均电流为(max(min81.250.31262inininPWIAVV===,所以二极管的电流取0.31A。最小的二极管等级要符合下面的条件:R2(maxFd(maxFSMFUI1.5II5I≥≥(cNTC电阻:使用NTC电阻的开关电源,在每次关机后不要马上开机,最好等一分钟以后再开机,只有等NTC电阻温度降下来后,它的阻值才能上去,再次开机才能起限流作用。额定输入电流为:(min(max81.250.24340inininPWIAV===输入电容Cin的输入电流峰值一般为输入电流的3~5倍,所以NTC的电阻值必须满足max(3~5intinVRI=(3-29为了降低损耗,NTC的阻值越小越好,一般取6~12欧姆。(22MOSFET:DpkDSSp1.71VV500IIAV≥=⎧⎪⎨≥=⎪⎩(3-30(23输出整流部分:(a输出整流二极管:在开关电源中,可以使用以下三种类型的整流二极管:快速恢复二极管、超快恢复二极管、肖特基整流二极管。在任何开关电源的输出电路设计中,都应严格选择整流二极管的反向截止电压和正向电流。输出整流二极管必须满足:RM(BRSFOMU2UI3I≥≥(3-31式(3-31中,输出整流二极管的最大反向峰值电压由下式确定:S(BRS0in(maxPNUUVN=+⨯(3-32式(3-32中,0U为输出电压;OMI为额定输出电流;PN为初级绕组匝数;SN为次级绕组匝数。对于+5VDC的输出绕组,(BRS3U53401786V=+⨯=,RMU34V≥,FI3A≥。对于±12VDC的输出绕组,(BRS7U123404086V=+⨯=,RMU80V≥,FI3A≥。对于+24VDC的输出绕组,(BRS13U243407686V=+⨯=,RMU150V≥,FI4.5A≥。(b输出滤波电感:当输出滤波电感小于临界值Lc时,将导致电源稳压性能变坏,甚至产生振荡从而导致电源无法正常工作。所以在设计电路时应该选择滤波电感值大于临界值的电感。滤波电感的临界值计算公式:maxminmin(12LCRDLf-=(3-33式中,maxLR-负载电阻的最大值;minδ-最小脉冲占空比;minf-电源的最小工作频率。实际调试时,如果由于设计不当而导致稳压电源在小负载电流时发生滤波电感小于临界值的现象,可以在电源输出端并联一个固定电阻(如12R,称为假负载的方法来减小maxLR值从而减小CL值。这个固定电阻不能太小,以免影响电源效率。此处,取73.3,5LuHA=。假负载12R的作用主要是改善轻载时的负载调整率,此处,取121Rk=。(c输出滤波电容:(max(max(minoutoffoutrippleITCV=(3-34(24电流采样电阻:max1ssVIR=(3-35所以,(max110.581.71ssVVRIA===Ω电流采样电路的RC滤波参数:R=1K,C=470p,其时间常数为470ns。(25振荡电阻和振荡电容:1.8TTfRC≈(3-36TR=(26启动电阻和启动电容:(aUC3842启动电压取20V,启动电流取2mA。1R121K=Ω122(maxR1(15V(340V15VP0.8121KinVWR--===Ω98.3Rk=Ω211.67Rk=Ω(bUC3843启动电压取10V,启动电流取2mA。1R125K=Ω122(maxR1(10V(340V10VP0.8125KinVWR--===Ω93.75Rk=Ω211.25Rk=Ω(cUC3844启动电压取20V,启动电流取2mA。1R121K=Ω122(maxR1(15V(340V15VP0.8121KinVWR--===Ω98.3Rk=Ω211.67Rk=Ω(dUC3845启动电压取10V,启动电流取2mA。1R125K=Ω122(maxR1(10V(340V10VP0.8125KinVWR--===Ω93.75Rk=Ω211.25Rk=Ω启动完成后,UC3842的消耗电流将随着对高压MOSFET的驱动而增之100mA,该电流由启动