5 LED反激式恒流开关电源设计(10)

LED反激式(Flyback)恒流开关电源设计内容提要高频变压器设计与实例333231概述高频变压器计算软件3534恒流反馈电路设计PFC变换器设计整流滤波电路及输入电容选择36安规元件：NTC电阻压敏电阻EMI元件37安森美NCL30051带PFC半桥谐振离线式LED恒流源38概述在开关电源市场中,400W以下的电源大约占了市场的70-80%,而其中反激式电源又占大部分,几乎常见的消费类产品全是反激式电源.实例：85WLED路灯反激式恒流开关电源，电路图如下。整流滤波电路及输入电容选择•在最小输入电压Vacmin时，设桥式整流最大导通时间tc=3ms.整流滤波电路及输入电容选择•输入电容选择:大容量用几个并联.电解电容频率特性电解电容是开关电源中最不安全和最影响电源寿命的器件。使用之后，电容量减小，纹波增大，发热失效，甚至爆炸。电容器的使用寿命主要由内部温度决定，其温升主要与纹波电流与纹波电压有关。电解电容器一般给出特定工作温度（85℃或105℃）和特定使用寿命（2000小时）下的纹波电流值。电解电容频率特性电解电容寿命估算根据著名的阿列纽斯理论，电解电容器的温度每升高10℃，电解电容寿命就会降低一半。例如，105℃使用寿命2000小时的电容在85℃时寿命可达2000*22=8000小时。因此降温是延长LED驱动电源寿命的有效方法。反激变压器设计反激式变压器是反激变换器设计的重点和难点。因为输入电压范围宽,在低输入电压、满负载条件下变压器工作在CCM,而在高输入电压、轻负载条件下又会工作在DCM。如果参数不合理,则影响变换器性能,严重时磁芯饱而损害开关管。变压器的参数需要经过反复试验才能达到最佳（经验）。CCM电流峰值比不连续模式小,开关损耗较小,因此在功率稍大的反激变换器中均采用CCM,效率比较高。开关管导通时，磁芯极易饱和，故设计反激式开关电源，在保证输出功率的前提下，首要解决磁芯饱和问题。反激变压器设计法1：基于波形参数设计（如topswitch公司）一般地，变压器设计为BCM。如果以最大负载设计于BCM，则正常工作时工作于DCM。如果已一定比例（如40%）设计于BCM，则正常工作时工作于CCM反激变压器的电流波形系数输入平均电流：Iavg=PO/(ηVinmin)重要参数——原边电流波形系数KRP=∆I/IP=IR/IPk,取值0-1之间（DC-DC中只有一个电感，采用电流纹波率r参数）求原边峰值电流（影响变压器饱和）波形面积S1=I0×Ton+(IPk-I0)×Ton/2反射电流S2原边有效电流（越小发热就越小）：Irms=IPk[Dmax×(K3RP/3-KRP+1)]1/2S2=Iavg×T由S1=S2，得IPK=Iavg/[(I-0.5KRP)D],D=Ton/T反激变压器设计法1的设计步骤步骤2：设定恶劣条件VOR，伏秒原理求D，算Ton等步骤3：设定KRP(BCM:三角波：KRP=1)，算原边电流步骤4：根据电感电压方程，计算原边电感步骤1：确定Po、Vimin等设计要求，算Pi、Iinavg等反激变压器设计法1的设计步骤步骤5：选磁芯Ae和△B（粗略，经验），算原边匝数走磁通面积Ae(储能能力）走电流面积Aw(通电流能力）Npmin=Viminton/(△BAef)f和温度越高，△B/Bs比越小。f50kHz,△B=0.7Bs;f100kHz，△B=0.5Bs。反激变压器设计法1：设计实例步骤6：由截止时变比n=VOR/Vo，算副边或辅助绕组数步骤7：占空比校正及磁饱和验证步骤8：计算线径法1实例：反激变压器EXCEL自动计算表PIExpertSuiteSetup8.5：软件反激变压器设计法2：基于电流纹波系数设计（如《精通开关电源》）反激变压器的电流变换关系反激变压器一次边和二次边的电流不同时出现。根据能量守恒，变压器的电流变换关系成立，即n=IS/IP(=NP/NS)反激变压器原副边合成电流波形Buck-Boost模型及电流纹波率r（为书写简单，略去原边量的下标“1”）根据Buck-Boost模型，输入平均电流等于开关管平均电流，即Iavg=IL×D，原边斜边中心电流，IL=Iavg/D（更简单）输入平均电流Iavg=Pi/Vimin=Po/(ηUimin)Buck-Boost模型及电流纹波率r（为书写简单，略去原边量的下标“1”）原边峰值电流：IPK＝(1＋r/2）×IL=(1+2/r）×∆I/2r=0.3-0.5,BCM:r=2r与KRP的关系：IPK=(1＋r/2）Iavg/D=[1/(1-0.5×KRP)]×Iavg/DKRP=2r/(2+r).如BCM:r=2,KRP=1.∆I=r×IL基于电流纹波系数设计步骤及实例步骤3：设电流纹波r，算峰值等电流步骤4：根据电感电压方程，计算电感等步骤2：设恶劣条件VOR，伏秒原理求DMAXIL=IAVG/D,∆I=r×IL,IPK=(1+r/2)×IL=(1+2/r）×∆I/2步骤1：确定Po、Vimin等，计算Pi等步骤5：选磁芯Ae和△B（粗略，经验），算原边匝数走磁通面积Ae(储能能力）走电流面积Aw(通电流能力）Npmin=ViminDmax/(△BAef)=(1+2/r）ViminDmax/(2BpkAef)f和温度越高，△B/Bs比越小。f50kHz,△B=0.7Bs;f100kHz，△B=0.5Bs。基于电流纹波系数设计步骤及实例Bpk基于电流纹波系数设计步骤及实例法2实例步骤6：据截止变比n=VOR/Vo，算副边匝数步骤7：占空比校正及磁饱和验证步骤8：计算线径课后作业：自学教材P96例题高频变压器材料磁芯形状特点适用情况EE,ER,EC,ETD常规铁心,低廉,窗口面积大,大功率时易作安规.大功率、辅助电源，功率密度较低的场合EFD平面化的EE类铁心应用情况同上，且要求LowProfile，表贴或沉降式结构PQ,RM窗口面积较ＥＥ类的小，Ae较ＥＥ类的大应用于高功率密度的条件．不适合作很多路输出变压器EEEFDER,EC,ETDPQRM变压器气隙计算气隙：单端反激式变压器工作于磁化坐标的第一象限，为避免磁芯饱和，应在磁回路加入一个气隙，这样不但可使变压器稳定工作，还能增大输出功率，减小高频磁芯损耗及发热问题。曲线m表示无气隙的磁化曲线，曲线g表示有气隙时的磁化曲线。Iψ变压器气隙计算磁场能量：等于磁化曲线B和纵轴所围成的面积大小。面积Am表示储存在磁芯部分的磁场能量，面积Ag表示储存在气隙部分的磁场能量。可见，大部分能量储存在气隙中。变压器尺寸选择AP法：先求出面积AW与截面积Ae的乘积AP，根据AP值查表找出所需磁性材料的编号。含义：Kf是波形系数，正弦波为4.44,方波为4；f是开关频率，Kf是窗口利用系数（如取0.4）；K是电流密度比例系数。变压器尺寸选择AP法：先求出面积AW与截面积Ae的乘积AP，根据AP值查表找出所需磁性材料的编号。含义：Kf是波形系数，正弦波为4.44,方波为4；f是开关频率，Kf是窗口利用系数（如取0.4）；K是电流密度比例系数。变压器尺寸选择经验法：对20-100KHz，截面积Ae与能承受的最大功率Pm关系：Ae=0.15×（Pm）0.5变压器漏感吸收变压器漏感:线圈所产生的磁力线不能全部通过次级线圈，即磁场泄漏而产生的电感.漏感等效模型:漏感LLK(Lm）可等效与变压器原边线圈N1并联或串联.变压器漏感吸收漏感危害:开关导通时，漏感储存磁能，但开关截止时，漏感储存的能量因不能耦合到次级电感释放而产生很高压尖峰，使开关管击穿。高压尖峰钳位:RCD吸收电路。齐纳二极管导通电压根据开关管的能承受的最大电压来选择。漏感高压尖峰漏感不参与能量的传递，是变压器的寄生参数，越小越好。文献实例实例3：单端反激式开关电源中变压器的设计实例4：反激式开关电源变压器的设计研究反激式开关电源中的变压器实质上是一对互耦的储能电感，它在开关管导通时储能，关断时向负载释放能量。当输入电压最小且输出功率最大时，变压器线圈的电流最大，储能最多，承受的负苛最大，因此这个工作点是变压器参数设计的依据。高频变压器材料变压器绕线方法变压器绕线顺序普通分层绕法变压器绕线顺序三明治绕法1：初级夹次级三明治绕法2：次级夹初级变压器绕线实例恒流反馈电路设计（1）光耦(OpticalCoupler）在一般的隔离电源中,光耦隔离反馈是一种简单低成本的方式。光耦电流传输比：CRT=IC/IF*100%.PC817的CRT=80%-160%.恒流反馈电路设计光耦分开关型和线性型两类。在开关电源反馈电路中，采用线性型光耦,如PC817。由PC817特性曲线可知，IF取10mA左右线性好恒流反馈电路设计（2）基准稳压器TL431：美国TI公司生产的TL431,其输出电压可在2.50一36V范围内连续调节。TL431电路：URA=2.5V.Uo=UKA=2.5V*(l+R2/R3).R3选取原则是保证TL431的工作电流IKA在1-100mA之间。（3）恒流反馈电路设计实例(演示)线性光耦反馈电路:由稳压管和光藕合器构成的,其电压调整率可达0.5%一l%,负载调整率约为1%.（3）恒流反馈电路设计实例(演示)输出电流：V2=0，3.3V/(R58+R59+R60)=Vr/(R53+R54)，Io=Vr/R39=0.16-0.32A，R53为0-1K（3）恒流反馈电路设计实例(演示)过压保护：R47=0-3K，故过载电压VO=2.5V*(R47+R48+R49)/R49=27.5-37.5V。PF及其原理当电源输入正弦电压与正弦电流的相位差为ϕ时，PF=cosϕ。PF越大，电力利用率越高，因此PF越接近1越好。功率因数PF（PowerFactor）：定义为有功功率P与视在功率S之比，PF=P/S。无PFC电路开关电源的PF0.6：整流电路后面有一个大滤波电解电容（容性负载），使输出电压平滑，但使整流器的输入电流严重畸变而变为尖脉冲，产生许多奇次谐波，对电网污染。PFC电路工作原理PFC（PowerFactorCorrection）：有源功率因素校正全波整流NCP1608开关电源CLQPFC开关电源IL(t)Vin(t)viniinACPFC变换器提高PF的原理：是在整流电路与滤波电容之间插入一个DC-DC变换器（Boost开关电源），使输出电压变为400V高压,将整流器的输入电流校正为正弦波，消除谐波和无功电流，因为PF提高到近于1。PFC电路实例（演示）PFC电路实例（演示）10012014016018020022024000.20.40.60.81Vac/VPFWithoutPFCconverterWithPFCconverter安规元件—NTC电阻，抑制浪涌电流抑制浪涌原理：NTC（NegativeTemperatureCoefficient）电阻是半导体陶瓷元件，电阻值随温度升高而指数降低。在电路的输入端NTC电阻，可以有效地抑制开机时产生的浪涌电流。当电路进入稳态工作时，NTC发热而电阻变得很小，对电路影响可忽略不计。安规元件—压敏电阻，过压保护，防雷击压敏电阻：一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，可以将电压钳位到一个相对固定值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻响应时间：ns级，比空气放电管快，比TVS管（瞬间抑制二极管）稍慢。安规元件—压敏电阻的选用压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持续电流，在用作过压保护时必须考虑到这点。安规元件—EMI元件EMI元件：包括X电容、共模电感（也叫共模扼流圈）和Y电容.X电容：跨于L-N之间的电容器。Y电容：跨于L-G和N-G之间的电容器。EMI（ElectroMagneticInterference）：开关电源存在许多高频谐波噪声，用EMI滤波网络去掉。安规元件—X电容X电容主要用来抑制差模干扰.多选耐纹波电流较大的聚脂薄膜类。X电容耐压：标有安全认证标志和耐压AC25