开关电源的设计及计算

V1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档开关电源的设计及计算1.先计算BUCK电容的损耗（电容的内阻为Rbuck假设为350mΩ，输入范围为85VAC~264VAC,频率为50Hz，POUT=60W,VOUT=60W）：电容的损耗：Pbuck=Rbuck*Ibuck,rms2Ibuck,rms=Iin,min1**32-clinetFtc:二极管连续导通的时间tc=linelineFVpeakVeF**2)min(arcsin*41π-=3ms其中：Vmin=lineinchinininFCDPVV*)1(***2min,min,--Vpeak=2*Vin,min其图中的T1就是下面公式中tc或：Vmin=η*)*21(**2**2min,min,inclineoininCtFPVV--所以(假设最低输入电压时，输入电流=0.7A)：V1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档Ibuck,rms=Iin,min1**32-clinetF=0.7*13*50*32-=1.3APbuck=350m*1.32=0.95W第一步计算电容损耗是为了使用其中的tc值,电容的容量一般通用范围选2~3μ/W，固定电压为1μ/W2.输入交流整流桥的计算(假设VTO=0.7V,Rd=70mΩ)在同一个时间内有两个二极管同时导通，半个周期内两个二极管连续导通Id,rms=clineintFI**3min,=m3*50*37.0=1.04APdiodes=2*(VTO*2min,inI+Rd*Id,rms2)=2*(0.7*27.0+70m*1.042)=640mW一个周期内桥堆损耗为:PBR=2*Pdiodes=2*640m=1.28W桥堆功耗超过1.5W时，我个人认为应加散热器（特别是电源的使用环境温度较高时）变压器和初级开关MOS：反激式开关电源有两种模式CCM和DCM，各有优缺点。一般，DCM为二极管提供更好的开关条件，在二极管反相恢复之前，二极管的电流刚好为零。DCM模式的变压器要小些，因为DCM储存的平均能力要比CCM小。DCM高RMS电流，会增加MOS的导通压降和输出电容的电流压力。因此，DCM推荐使用在输出高压，低电流的场合，CCM使用在输出低压大电流场合。在CCM反激变换器中，设计方法是连续正向传输，因为输入输出电压增益仅依靠占空比（thedutycycle）。而DCM反激变换器的输入输出电压增益不依靠占空比（thedutycycle）而是负载条件,会致线路设计稍微复杂点。一般可以接受使用最低输入电压，最大负载时CCM和DCM临界点来设计DCM变换器，这时MOS导通损耗最低。综上所述我们可以使用最低输入电压，最大负载电压增益设计CCM变换器。当MOS关断时，MOS承受输入电压Vin,dc和次级反射初级电压VOR之和。设定了最大Dmax,VOR和MOS实际电压Vdsnom可以由以下公式决定：VOR=min,*1inMAXMAXVDD-Vdsnom=VOR+Vin,max根据上面的公式，减少Dmax,MOS承受电压会降低，但是同时会增加次级二极管承受电压。V1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档如果MOS耐压有足够，DMAX尽可能设置大些。考虑到变压器漏感引起的尖峰电压，只能用MOS耐压的65%~70%来设定最大占空比DMAX,对于通用范围的应用DMAX一般设定为0.45~0.5，因为大于0.5，对于反激CCM模式会引起次生谐波振荡。确定变压器的初级电感量LMCCM和DCM模式会随输入和负载变化而变化。最坏情况下变压器的电感量LM由最大负载和最小输入电压决定。因此LM=()RFsinMAXKFPDV**2**2minKRF:最大负载和最低输入电压时的纹波系数，定义如图DCM模式KRF=1CCM模式KRF＜1纹波系数跟变压器的大小和MOS的RMS值紧密相连。尽管可以减小KRF来降低MOS的导通损耗，太小的KRF会迫使变压器尺寸增加。对于CCM反激模式，通用输入模式设定KRF=0.25~0.5，固定输入设定KRF=0.4~0.8是比较合理。一旦LM确定了，最大峰值电流和MOS的RMS电流就如下：Idspeak=IEDC+2I△Idsrms=()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛+3*2*322MAXEDCDII△其中：IEDC=MAXinDVP*min△I=SMMAXFLDV**minV1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档最低输入电压，最大负载设计的CCM变换器可能随着输入电压的增加进入DCM模式。要保证最高输入电压，最大负载仍工作在CCM必须满足：VDCCCM=11***21-⎟⎠⎞⎜⎝⎛-ORinSMVPFL如果计算值为负，在最高电压，最大负载变换器仍然工作在CCM模式。如果使用的集成芯片需要验证饱和电流是否大于芯片最大电流：Isat=MesatPLABN**其中：Isat变压器饱和电流Bsat饱和磁感应强度（一般0.3）Ae有效磁面积（m2）变压器饱和的原因：变压器电感量太大初级圈数太少没有软启动磁芯Ae太小MOS损耗(假设RDS(120)=1.2Ω，Idsrms=1.26A):导通损耗：Pon=RDS(120度)*（Idsrms）2=1.9W(下面计算散热器使用)门极损耗：PG=VG*Qg*FSVG为门推动电压开通损耗：PSW,ON=WbulkvalleyPFtVI*12**Δ-△t=pkDRVGDIQ_关闭损耗：V1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档PSW,off=WbulkpkpFtVI*12**Δ-△t=pkpGDIQ_源极电阻功耗：PRSEN=IP,RMS20%2*Rsen启动电阻的计算（设启动时间5S，启动电容39μF，芯片启动电流50μA）：ITOTAL=ISTART-UP+dtdVC*=50+94直接取150μAdV芯片开启门槛，假设12V，dt为5SRSTART-UP=TOTALIVmin初级吸收回路的计算：由于变压器存在漏感，如果不现在电压，可能导致MOS损坏，吸收网络实际是假设吸收电容容量足够大，其电压在开关周期内变化不明显。第一步先设定吸收电容的电压Vsn（最低输入电压，最大负载），一旦这个电压确定，吸收网络的功耗计算如下：Psn=()()ROsnsndsLKSsnsnVVVILFRVpeak-=****2122其中：Vsn必须大于VRO,一般设为2~2.5倍VRO值取的太小，根据上面的公式会导致吸收网路损耗过大。使用开关频率测量漏感，测试时除初级外其他全部短路。吸收电容上的纹波电压为：△Vsn=SsnsnsnFRCV**一般5%~10%的纹波电压是允许的上面的电压是在最低输入，最大负载时的，在CCM模式中，峰值电流和吸收电压随输入电压的增加而减少。吸收电容在最高输入，最大负载时为：Vsn2=()()2****2222dsSLKsnROROIFLRVV++Ids2=()()ROMAXINSMROMAXINROMAXINROMAXINinVVFLVVVVVVP+++,,,,***2***在DCM模式中Ids2=MSinLFP**2通过上面的计算：Vdsmax=VIN,MAX+Vsn2验证这个值是否超过MOS额定耐压的90%。吸收二极管的耐压一般选择比MOS要高些，一般选1A，1000V的二极管。V1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档RCD:PR=nVVVFILOUTclampclampWpeakdsLK****21*,2-Vclamp可以实际测试二极管(P6KE)钳位：PZ=nVVVVFILOUTZZDCWpeakdsLK****21*,2--确定变压器磁性和初级最少圈数：磁芯的选择有很多变数，通常方法按厂家提供的表格选择，如果没有可以使用下表，下表是按通用输入范围，开关频率65KHz,单路输出制作的。如果是固定输入或频率更高，磁芯可以比表中小些。如果是多路输出磁芯可以比表中的磁芯大些。根据选出的磁芯可以计算最少圈数：Npmin=610***eSATdsMABILpeak实际设计中，Idspeak值要取的比计算的值大些，应考虑余量,防止变压器饱和。如果是集成芯片，一般这个值就是芯片内部的过流值。由于饱和磁通密度BSAT随温度升高而降低，应考V1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档虑高温特性。如下图，TDKPC40磁性特性图：如果没有特性图，一般取BSAT=0.3~0.35T。各个绕组圈数计算：n=1SPNN=11FOROVVV+VO1主输出电压VF1二极管管压降NS1取整数的同时，NP圈数不小于上面计算的圈数。变压器原理图其他输出的圈数：NS(n)=111)()(*SFOnFnONVVVV++VCC圈数：Na=111*SFOFaccNVVVV++Vcc控制芯片正常工作的电压，一般取12~15V。V1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档变压器气隙长度计算：G=40*π*Ae*⎟⎠⎞⎜⎝⎛-LMPALN110002（mm）其中：AL为没气隙时的值，单位nH/圈数2变压器次级线径的计算：Isec(n)=())()()(*1**nFVnOORMAXMAXrmsVnLVDDdsKI+-其中：KL(n)=OnOPP)(PO(n)为每路输出的最大功率单路KL=1一般大于1M时，电流密度取5A/mm2,当圈数少，长度小，电流密度取6~10A/mm2也是可以接受的。为了绕制容易和避免严重的涡流损耗，应避免使用单根1mm以上的线。对于大电流输出应使用多根并联以减少趋肤效应。同时必须检查窗口面积是否能绕制的下，检查如下：Awr=FCKAAC导线实际面积KF填充因子一般：单路KF取0.2~0.25，多路取0.15~0.2。如果需求窗口Awr大于实际窗口Aw，需要选择大一号的磁芯，有时因为成本或尺寸不能更改磁芯。对于CCM变换器有时差一点，可以通过增大KRF来减小LM。这样最小圈数就会少些，以满足磁芯要求。变压器损耗：PRpri=Rpri,dc*Iin,min2+Rpri,ac*Ipri,ac2PRsec=Rsec,dc*Iout2+Rsec,ac*Isec,ac2磁芯的损耗是根据厂商提供的表格估算。次级整流二极管：最大反向电压：VD(n)=VO(n)+()ROnFnODCVVVVMAX)()(*+RSM电流：ID(n)rms=())()()(*1**nFVnOORMAXMAXrmsVnLVDDdsKI+-一般直接使用下面公式快速取值：VPRM＞1.3VO(n)IF＞1.5IO(n)VPRM和IF是被选择二极管指标值下面的表格供快速选择：V1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档整流二极管损耗计算：粗算：PD=VT0*IO+Rd*(ID(n)rms)2详细计算：导通损耗Pd_on=Vf*Iout*DMAX关闭损耗Pd_off=Vf*Iout*(1-Dmin)散热器计算（根据上面MOS计算的功耗来算）：RQSA=QCSQJCAJRRPTT---=6.15.29.150110---=27℃/W根据这个值来选散热器。其中TJ你自己允许的最高温度输出电容的确定：主输出：ICrms=()22ODIIrms-其他绕组是用上面RMS计算公式V1.0版等级：内部密翻译和整理：周月东文档内容参考：ON,FAIRCHILD应用文档纹波电压：△Vo(n)=)()()()()()(*****nFnOnLnCROdssnOMAXnOVVKRVIFCDIpeak++快速方法：ROUT≤peakdrippleIVVripple为你期望得到的纹波电压根据计算的电容内阻选择电容容量。有时一个电容没法满足纹波要求，往往需要使用LC滤波，使用后置滤波器需当心