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模块电源培训DC模块部2009年11月13日内容概要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、DC/DC砖块模块电源概述1、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2、砖块电源的历史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3、砖块模块电源的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1、常用MnZn功率铁氧体材料特性磁滞曲线磁感应强度B与磁场强度H的关系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（TDG）磁芯型号为例，用于开关电源的MnZn功率铁氧体材料主要有TP2、TP3、TP4、TP4A、TP5等，其中又以TP4材质应用比较广泛。TP4材质在25℃下的饱和磁通密度为Bs=510mT，剩磁Br=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Bs=390mT，剩磁Br=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2、变压器模型任何功率变压器，都可以把它等效为右图这样一个理想模型，即等效为漏感、励磁电感与理想变压器的串并联关系。理想变压器的电压电流关系严格按照匝比成比例，不考虑变压器损耗。其中，Np为原边匝数，Ns1、Ns2是副边匝数，Lrp是原边漏感，Lrs1、Lrs2是副边漏感，Lm是励磁电感。漏感在某些场合也可以作为次要因素忽略考虑，从而使问题得以简单处理。3、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Lm工作状态的设计。由此我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：根据楞次定律，有：式中U是加在电感Lm两端的电压，t是作用时间。若假定电压U是一个稳定不变的量，励磁电感Lm也是一个常量（即不考虑非线性），则有：这就是磁芯的伏秒关系。计算步骤：（1）根据功率拓扑，分析变压器励磁电流Im的工作波形，再根据安培环路定理，即：得到磁场强度H的工作范围。式中le是磁路有效长度。（2）在磁滞曲线图中，根据磁场强度H的工作范围，确定磁感应强度B的工作范围，从而确定Bw。（3）由磁芯的伏秒关系，计算变压器原边匝数：（4）根据匝比关系，计算变压器副边匝数：（5）确定变压器励磁电感Lm大小。需要注意的是，开制气隙可以降低感量Lm，并同时增加漏感Lr。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，开制气隙却可以增加磁场和温度的稳定性，并使得Lm比较一致。变压器设计应用举例：例1：设计一个有源钳位同步整流变压器，已知磁芯选用EIQ25，TP4材质，有效面积Ae=89.7mm2，输入电压DC36V-75V，输出电压12Vdc，工作频率250KHz。设计过程：（1）建立变压器模型，分析励磁电流Im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Vds波形及励磁电流波形。（2）在磁滞曲线图中，确定磁感应强度B的工作范围。由于励磁电感电流工作于+Im_max～-Im_max之间，对应磁场强度是在正负饱和磁场强度之间：+Hs～-Hs，故磁感应强度B的最大工作范围可确定在+Bs～-Bs之间。即：一般取100℃下的Bs值，即0.39T，作为设计最大值。这样，△Bw≤0.78T，磁芯不会饱和，该值越大，磁芯损耗也将越大。有源钳位最大占空比出现在输入低压，即36V时，一般设计为65%。开关频率250KHz，对应开关周期Ts=4us。这样就可以确定Np的最小值。（3）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，以及避免开机瞬间的双倍磁通效应导致磁芯饱和，一般取△Bw≤Bs。若取△Bw=0.35T，则：这样，Np可取值为3，4或5等，取决于合适的匝比N。（4）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Np取4匝，Ns取2匝。（5）确定变压器励磁电感Lm的大小。根据有源钳位谐振频率与开关频率的关系，即：可以确定励磁电感Lm的大小。式中C为吸收电容，一般取0.1uF，比例系数也有取值1/7～1/16，以进一步降低Vds电压纹波。最后，应对结果进行检验。例2：设计一个反激变压器，工作于不连续模式，已知磁芯选用RM4，TP4材质，有效面积Ae=14.0mm2，输入电压DC36V-75V，输出电压10Vdc，输出最大电流200mA，工作频率350KHz。设计过程：（1）建立变压器模型，分析励磁电流Im工作波形。不连续模式反激主要工作过程如右三个状态图所示，由此可得主开关管Vds波形及励磁电流波形。（2）在磁滞曲线图中，确定磁感应强度B的工作范围。由于励磁电感电流Im必须小于其最大值，对应的磁场强度也必须小于Hs，故磁感应强度B的最大工作范围可确定在+Bs～+Br之间。即：一般取100℃下的Bs值，即390mT，作为设计最大值，此时Br=55mT。这样，△Bw≤335mT，磁芯不会饱和。△Bw值越大，磁芯损耗也将越大。反激最大占空比出现在输入低压，即36V时，一般设计为45%。开关频率350KHz，对应开关周期Ts=2.86us。这样就可以确定Np的最小值。（3）由磁芯的伏秒关系，计算变压器原边匝数：这样，Np可取值为10、11或12等，取决于合适的匝比N。（4）计算变压器副边匝数。要保证电路工作于不连续状态，根据磁芯的伏秒关系，应有：将相关数据代入，可得：N≥2.95。这样，可确定原边匝数Np=10，副边匝数Ns=3，匝比为3.33；或者原边匝数Np=12，副边匝数Ns=4，匝比为3。（5）确定变压器励磁电感Lm的大小。根据不连续模式反激拓扑即能量完全传递的原理，有：式中，η是变压器效率，应考虑实际情况选取，这里取值0.7。将相关数据代入，可得：最后，对计算结果进行检验。问题（1）全桥、半桥变压器应如何计算？（2）连续模式反激变压器应如何计算？三、电源功率电感的设计功率电感的设计原理与变压器励磁电感Lm的设计原理是一样的，所用的物理方程也一样。需要注意的关键是：电感必须工作于非饱和区，自饱和电感除外。电感伏秒必须平衡。这样，我们设计功率电感的步骤是：（1）分析电感电流Im的工作波形，再根据安培环路定理，即：得到磁场强度H的工作范围，从而根据磁滞曲线确定工作磁感应强度Bw。式中le是磁路有效长度。（2）根据伏秒平衡关系，确定电感量Lm。（3）根据磁饱和特性，计算电感线圈最小匝数Np。应用举例例1：设计有源钳位输出滤波功率电感，已知磁芯选用EIQ25，TP4材质，有效面积Ae=89.7mm2，输入电压DC36V-75V，输出电压12Vdc，输出电流25A，变压器匝比2：1，工作频率250KHz。设计过程：（1）分析电感电流I的工作波形。电感有两个工作状态，激磁和去磁阶段。激磁阶段电感电流持续上升，去磁阶段电感电流持续下降。假设电感工作于连续模式，电流纹波为△I，输出平均电流Io，则峰值电流为：此时对应磁场强度最大值，可设为Hs，对应的磁感应强度为Bs。一般取△I=(20%～40%)Io。（2）由伏秒平衡关系，即：可得占空比与输入输出电压的关系以及电感量的取值：将相关数据代入，可得：L=3.2uH。（3）根据磁饱和特性，计算电感线圈最小匝数Np。根据：将相关数据代入，可得电感线圈最小匝数：Np≥2.52，可取值3匝。最后将计算结果进行检验。问题（1）不连续模式功率电感应如何计算？（2）多绕组电感及耦合电感应如何计算？四、电源反馈控制电路的设计1、反馈控制基础LC电路滤波原理这是一个LC滤波电路，输入电压Vin，输出电压Vo。它们之间的关系为：式中，s=jw代表频率，是自变量；Vo是因变量。（1）当时，，即在低频段，有：（2）当时，，即在高频段，有：定义传递函数：可以知道，该传递函数的波特图如右：LC电路的滤波原理就是，低于特征频率的信号可以无衰减的通过，高于特征频率的信号，则按-40dB/dec衰减速度进行衰减。若输入电压是包含有各种频率成分的信号，则高频部分被衰减，只有低频部分出现在Vo。实际滤波电路模型在Buck电路以及Buck电路的变形电路，如单端正激、半桥、全桥等电路拓扑中，输出滤波电路的模型如下：该电路考虑了滤波电感及滤波电容的寄生电阻参数，其传递函数如下：若，，，则在一级近似情况下，传递函数可以简化为：该传递函数包含了一个比例微分环节（由电解电容ESR构成