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模块电源培训模块电源培训DCDC模块部模块部许永辉许永辉20092009年年1111月月1313日日内容概要内容概要1、DC/DC砖块模块电源概述2、电源功率变压器的设计3、电源功率电感的设计4、电源反馈控制电路的设计5、问题讨论一、一、DC/DCDC/DC砖块模块电源概述砖块模块电源概述11、、开关电源的供电结构开关电源的供电结构开关电源的供电结构主要有三种，分别为集中式结构、分布式结构(DPA)、中间总线结构(IBA)。集中式结构，由一个集中的电源变换器产生所需各种电压等级的输出电压，分别给各负荷供电。由于它成本低廉，至今仍是应用最广泛的一种形式。分布式结构，采用48V的电压直流总线，将电能送至负荷旁，然后通过独立的隔离DC/DC模块分别给各负荷供电。分布式结构具有电源效率高、输出电压调整率高、输出噪音小、动态响应快等突出优点，一度被认为是电源发展的方向。中间总线结构，由两级构成，首先通过隔离DC/DC变换器将48V变换成中间的电压，采用中间的电压总线，如12V电压总线，将电能送至负荷旁，然后通过第二级非隔离DC/DC模块给负荷供电。中间总线结构电源成本较低，具有较好的竞争力。目前非隔离DC/DC模块增长速度已经超过了隔离DC/DC模块。分布式结构中间总线结构22、、砖块电源的砖块电源的历史历史1996年朗讯科技公司(LucentTechnologies)推出了半砖电源模块，后来成为砖块电源的标准。DC/DC模块主要有4类用户：电脑和办公自动化、通信、工业和仪表(医疗)、军事与航天，其中通信贡献最大。目前主流的DC/DC模块电源生产商主要分为DOSA联盟和POLA联盟两大阵营。DOSA联盟即分布式电源开放标准联盟(Distributed-powerOpenStandardsAlliance)，2004年2月由Tyco与SynQor公司创立，联盟主要目标是确保越来越细分的转换器市场中，DC/DC产品的兼容性与标准化。DOSA联盟面向的产品包括非隔离(POL)和隔离电源转换器。POLA联盟即负载点联盟(PointOfLoadAlliance)，成立于2003年6月，旨在标准化非隔离负载点电源模块的外形和占位面积。隔离DC/DC砖块模块电源非隔离DC/DC模块电源33、、砖块砖块模块模块电源的电源的电路拓扑电路拓扑砖块模块电源主要产品的功率范围在50-250W，输出电压范围为：1.2V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V、12V、28V，等等。同步整流有源钳位正激变换器是主流拓扑，此外还有推挽、半桥、全桥以及BUCK-BOOST级联等，隔离结构。负荷点电源的主流拓扑为同步整流BUCK电路或多相同步整流BUCK电路，它采用非隔离结构。目前关于砖块模块电源是否会在今后普遍采用数字化控制技术仍存在意见分歧，但负荷点电源在这方面已经走在了前面，越来越多的非隔离模块电源趋向于采用数字控制技术以满足更高的功率密度、更高的效率、更高的可靠性以及智能化电源管理等复杂的电源要求。问题：我们的模块电源应往何处发展？有源钳位推挽半桥全桥BUCK-BOOST级联非隔离BUCK二、电源功率变压器的设计二、电源功率变压器的设计11、常用、常用MnZnMnZn功率铁氧体材料特性功率铁氧体材料特性磁滞曲线磁滞曲线磁感应强度磁感应强度BB与磁场强度与磁场强度HH的关系的关系除在真空中和在磁性材料中除在真空中和在磁性材料中小磁化场下具有线性关系外一般具有非线性关系即具有所谓磁滞回线性质。右图是一个典型的磁滞曲线，其中，Bs为饱和磁化强度，Br为剩余磁化强度，Hc为矫顽力，Hs为饱和磁化场，μi为初始磁导率。不同磁性材料的磁滞回线表现形式不一样，Bs、Br、Hc、Hs都不一样。以天通（以天通（TDGTDG）磁芯型号为例，用于开关电源的）磁芯型号为例，用于开关电源的MnZnMnZn功率铁氧体材料主要功率铁氧体材料主要有有TP2TP2、、TP3TP3、、TP4TP4、、TP4ATP4A、、TP5TP5等，其中又以等，其中又以TP4TP4材质应用比较广泛。材质应用比较广泛。TP4TP4材质在材质在2525℃℃下的饱和磁通密度为下的饱和磁通密度为Bs=510mTBs=510mT，剩磁，剩磁Br=100mTBr=100mT，，矫顽力Hc=14A/m，功率损耗Pcv=600kW/m3（@100kHz、200mT正弦波），而在100℃℃下的饱和磁通密度为下的饱和磁通密度为Bs=390mTBs=390mT，剩磁，剩磁Br=55mTBr=55mT，，矫顽力Hc=9A/m，功率损耗Pcv=410kW/m3（@100kHz、200mT正弦波）。参数对照表如下：居里温度居里温度居里温度是磁性材料从铁磁性(亚铁磁性)到顺磁性的转变温度，或称磁性消失温度，表示方式有多种，天通材料标准中规定的确定居里温度的方法如右图，随温度升高磁导率下降到最大值的80%与20%时，这二点联线延长到与温度轴的交点即为居里温度。TP4材质的居里温度为220℃，在实际应用中，磁芯的最高温度应远离居里温度，一般磁芯工作温度不应超过125℃。另一方面，根据磁芯功率损耗与温度的关系，TP4材质最佳工作温度点应在80℃-100℃之间，此时磁芯损耗最低，变压器效率最高。TP4材料特性表与特性曲线22、、变压器模型变压器模型任何功率变压器，都可以任何功率变压器，都可以把它等效为右图这样一个理把它等效为右图这样一个理想模型，即等效为漏感、励想模型，即等效为漏感、励磁电感与理想变压器的串并磁电感与理想变压器的串并联关系。理想变压器的电压联关系。理想变压器的电压电流关系严格按照匝比成比电流关系严格按照匝比成比例，不考虑变压器损耗。其例，不考虑变压器损耗。其中，中，NpNp为原边匝数，为原边匝数，Ns1Ns1、、Ns2Ns2是副边匝数，是副边匝数，LrpLrp是原边是原边漏感，漏感，Lrs1Lrs1、、Lrs2Lrs2是副边漏是副边漏感，感，LmLm是励磁电感。漏感在是励磁电感。漏感在某些场合也可以作为次要因某些场合也可以作为次要因素忽略考虑，从而使问题得素忽略考虑，从而使问题得以简单处理。以简单处理。33、变压器的设计方法、变压器的设计方法对变压器的设计，实际上就是对励磁电感对变压器的设计，实际上就是对励磁电感LmLm工作状态的设计。由此我工作状态的设计。由此我们用到的物理方程主要有：们用到的物理方程主要有：磁通量与励磁电感、励磁电流的关系：磁通量与励磁电感、励磁电流的关系：磁通量与线圈匝数、磁感应强度、磁芯有效面积的关系：磁通量与线圈匝数、磁感应强度、磁芯有效面积的关系：由于磁芯的饱和特性，有：由于磁芯的饱和特性，有：根据楞次定律，有：根据楞次定律，有：式中式中UU是加在电感是加在电感LmLm两端的电压，两端的电压，tt是作用时间。是作用时间。若假定电压若假定电压UU是一个稳定不变的量，励磁电感是一个稳定不变的量，励磁电感LmLm也是一个常量（即不考虑也是一个常量（即不考虑非线性），则有：非线性），则有：这就是磁芯的伏秒关系。这就是磁芯的伏秒关系。计算步骤：计算步骤：（（11）根据功率拓扑，分析变压器励磁电流）根据功率拓扑，分析变压器励磁电流ImIm的工作波形，再根据安培环路定的工作波形，再根据安培环路定理，即：理，即：得到磁场强度得到磁场强度HH的工作范围。式中的工作范围。式中lele是磁路有效长度。是磁路有效长度。（（22）在磁滞曲线图中，根据磁场强度）在磁滞曲线图中，根据磁场强度HH的工作范围，确定磁感应强度的工作范围，确定磁感应强度BB的工的工作范围，从而确定作范围，从而确定BwBw。。（（33）由磁芯的伏秒关系，计算变压器原边匝数：）由磁芯的伏秒关系，计算变压器原边匝数：（（44）根据匝比关系，计算变压器副边匝数：）根据匝比关系，计算变压器副边匝数：（（55）确定变压器励磁电感）确定变压器励磁电感LmLm大小。大小。需要注意的是，开制气隙可以降低感量需要注意的是，开制气隙可以降低感量LmLm，并同时增加漏感，并同时增加漏感LrLr。在一般的正。在一般的正激电路中，漏感变大并不是一件好事，往往会增加谐振尖峰。但是，开制气激电路中，漏感变大并不是一件好事，往往会增加谐振尖峰。但是，开制气隙却可以增加磁场和温度的稳定性，并使得隙却可以增加磁场和温度的稳定性，并使得LmLm比较一致。比较一致。变压器设计应用举例：变压器设计应用举例：例例11：设计一个有源钳位同步整流变压器，已知磁芯选用：设计一个有源钳位同步整流变压器，已知磁芯选用EIQ25EIQ25，，TP4TP4材质，有材质，有效面积效面积Ae=89.7mmAe=89.7mm22，输入电压，输入电压DC36VDC36V--75V75V，输出电压，输出电压12Vdc12Vdc，工作频率，工作频率250KHz250KHz。。设计过程：设计过程：（（11）建立变压器模型，分析励磁电流）建立变压器模型，分析励磁电流ImIm工作波形。有源钳位同步整流主要工工作波形。有源钳位同步整流主要工作过程如下四个状态图所示，由此可得主开关管作过程如下四个状态图所示，由此可得主开关管VdsVds波形及励磁电流波形。波形及励磁电流波形。（（22）在磁滞曲线图中，确定磁感应强度）在磁滞曲线图中，确定磁感应强度BB的工作范的工作范围。由于励磁电感电流工作于围。由于励磁电感电流工作于+Im_max+Im_max～～--Im_maxIm_max之间，对应磁场强度是在正负饱和磁场强度之间：之间，对应磁场强度是在正负饱和磁场强度之间：+Hs+Hs～～--HsHs，故磁感应强度，故磁感应强度BB的最大工作范围可确定的最大工作范围可确定在在+Bs+Bs～～--BsBs之间。即：之间。即：一般取一般取100100℃℃下的下的BsBs值，即值，即0.39T0.39T，作，作为设计最大值。这为设计最大值。这样，△样，△BwBw≤≤0.78T0.78T，，磁芯不会饱和，该磁芯不会饱和，该值越大，磁芯损耗值越大，磁芯损耗也将越大。有源钳也将越大。有源钳位最大占空比出现位最大占空比出现在输入低压，即在输入低压，即36V36V时，一般设计为时，一般设计为65%65%。。开关频率开关频率250KHz250KHz，，对应开关周期对应开关周期Ts=4usTs=4us。这样就可。这样就可以确定以确定NpNp的最小值。的最小值。（（33）由磁芯的伏秒关系，计算变压器原边匝数：）由磁芯的伏秒关系，计算变压器原边匝数：这是保证磁芯不会饱和的最小取值，为了降低磁芯损耗，以及避免开机瞬这是保证磁芯不会饱和的最小取值，为了降低磁芯损耗，以及避免开机瞬间的双倍磁通效应导致磁芯饱和，一般取△间的双倍磁通效应导致磁芯饱和，一般取△BwBw≤≤BsBs。若取△。若取△Bw=0.35TBw=0.35T，则：，则：这样，这样，NpNp可取值为可取值为33，，44或或55等，取决于合适的匝比等，取决于合适的匝比NN。。（（44）计算变压器副边匝数。根据输入电压与输出电压之间的稳态关系：）计算变压器副边匝数。根据输入电压与输出电压之间的稳态关系：可以确定最终可以确定最终NpNp取取44匝，匝，NsNs取取22匝。匝。（（55）确定变压器励磁电感）确定变压器励磁电感LmLm的大小。根据有源钳位谐振频率与开关频率的关的大小。根据有源钳位谐振频率与开关频率的关系，即：系，即：可以确定励磁电感可以确定励磁电感LmLm的大小。式中的大小。式中CC为吸收电容，一般取为吸收电容，一般取0.1uF0.1uF，比例系数也，比例系数也有取值有取值1/71/7～～1/161/16，以进一步降低，以进一步降低VdsVds电压纹波。电压纹波。最后，应对结果进行检验。最后，应对结果进行检验。例例22：设计一个反激变压器，工作于不连续模式，已知磁芯选用：设计一个反激变压器，工作于不连续模式，已知磁芯选用RM4RM4，，TP4TP4材质，材质，有效面积有效面积Ae=14.0mmAe=14.0mm22，输入电压，输入电压DC3