正激式电源原理设计

2020/9/25正激式电源概述一般DC/DC模块电源，功率级一般从几瓦到几十瓦，输出电压从几伏至上百伏，对于几十瓦的电源，一般以低压大电流为主，有5V/10A、5V/6A、3.3V/8A等规格，效率一般在80％左右（具体视输出电压大小可以按要求设计）。因为模块电源要求MTBF（平均无故障时间）1000000小时以上，所以要尽量避免使用电解电容，最好使用陶瓷电容。陶瓷电容容量不大，具有非常好的高频特性。此外，DC/DC模块电源的厚度要求小于12.7mm，所以对变压器的要求高，磁芯必须具有扁平的形状和在高频情况下具有较小的损耗因子。2020/9/25磁性材料选择说明通常选用的芯材有TDK的PC40/44、PC50或菲利浦的3F3、3F4，国产的如金宁R2KD、R2KBD、R2KB1还有南京新康达HP2、HP3等。形状以罐型为主，因为罐型磁芯具有较好的屏蔽，EMI中的棘手问题——辐射也就好解决得多了。同时不能使局部温度太高，必须均衡放置发热元件，另外还要求较低的纹波和较高的效率等，所有这些挑战使得采用正激式必较合适。2020/9/25电路原理的框图2020/9/25正激式电路工作原理1一般正激式上图所示为单端正激式电路，它犹如带变压器的Buck型变换器。输出电压UO由N2/N1、占空比D和输入电压确定，即：Uo=（Ns/Np）×D×Uin。当PWM控制器输出正脉冲，功率开关导通，变压器的初级绕组流过电流，此电流由两部分组成：第一部分为磁化电流，即流经等效开环电感上的电流；第二部份是与输出电流等效的初级电流，它和初次级匝比成反比，和输出电流成正比。2020/9/25正激式电路工作原理2储存在电感上的能量必须在功率开关关断后下一次开启前泄放掉，以便使磁通复位。N3即为去磁绕组，一般N3=N1。如果设计一个36V至72V直流输入、5V/6A输出的模块电源，当去磁绕组与初级绕组的匝比为1时，Udsr=72V＋72V=144V。选用反峰Uds为200V的IRF630场效应管，仅有50V的裕量用于承受异常时和叠加在此电压上的尖峰脉冲。场效应管的Rds与允许的Udsr成反比，如IRF630的Rds是0.4Ω,而耐压为100V的同系列产品IRF530N为0.11Ω。很显然，对宽范围输入的电源设计选用高耐压的场效应管（最高输入直流电压Uimax×2使用）仅仅是为了对付高端输入有点不太经济。2020/9/25变压器复位电路2020/9/25变压器复位电路分析上图中，若开关晶体管Tr1截至，则变压器Np绕组产生反向电动势，二极管Dr导通，同时对Cr充电，Rr与Cr并联，Cr上的电荷被Rr消耗。变压器实现复位的条件是Rr所消耗的功率等于变压器所储存的能量，设Cr的电压为Vr，则：Vr=√（Rr×f/2Lp）×Vin×Ton设变压器复位时间为tr，则复位条件为：Vin×Ton=Vr×tr，同时复位的动作必须在Tr1的OFF期间内结束，那么绝对条件就是：tr≦Toff可见Rr过大，复位电压Vr将迅速上升，复位要在很短的时间内完成，同时取Vr=Vin。2020/9/25采用变压器绕组复位电路上述RDC复位电路，由于变压器存储的能量全部被电阻Rr所消耗，结果成了无用功。采用复位绕组N3，可以实现能量的回收。由于复位绕组N3的端电压被嵌位为输入电压Vin，那么初级绕组Np产生复位电压Vr为：Vr=Np×Vin/Nr只要减少复位绕组的匝数，即可使Vr上升，从而在很短的时间tr内完成变压器复位。由于MOS管和二极管的耐压条件有限，一般取Vr=Vin，因此Np=Nr。2020/9/25正激式变压器的设计正激式变压器上与反激式差不多，只是增加了一组磁芯复位绕组，这里的N3和圆边绕组匝数相同即可。正激式变压器输出的特点是：输出变压器初级和次级的极性相同，开关管ON期间，向输出一侧传输电能。次级整流电路采用扼流线圈输入型平均值整流方式。2020/9/25变压器的参数计算1计算工作周期：T=1/f这里的，f：开关的工作周期；最大导通时间：Tonmax=T×Dmax这里的，对于正激式，Dmax：0.4~0.45较好，一般取0.42；变压器的次级电压计算：Voutmin=（Vout+VL+VD）×T/TonVoutmin：次级最小输出电压，V；Vout：输出电压，一般是给定值；VL：输出电感压降，一般取0.2V；VD：输出整流二极管压降，0.5~0.8V；2020/9/25变压器的参数计算2变压器的匝比计算：一般要把交流换算成直流才计算：Vinmin（dc)=Vacmin×1.4×0.9所以变压器的匝比：N=Voutmin/Vinmin变压器的次级匝数计算：Ns=（Voutmin×Tonmax）×104/（Bmax×Ae）Bmax：最大工作磁通密度，取Bsat/2=Bmax；Ae：磁芯有效截面积，mm2；变压器的初级匝数计算：Np=（Vinmin×Tonmax）×104/（Bmax×Ae）2020/9/25变压器的参数计算3变压器的电感量计算：L=Np2×AL×106（uH）这里的，AL：电感量系数；磁芯的选择：AP=Ae×Ac=Pt×106/2×η×Bmax×d×Km×Kc这里的，（计算出AP值后，选磁芯时要选用2倍以上才可以）Bmax：最大工作磁通密度，取Bsat/2=Bmax，（T）；Pt：输出功率的平均值，（W）；d：导线的载流能力，（5A/mm2）；Km：窗口的填充系数，0.2~0.4；Kc：磁芯的填充系数，铁氧体为1；计算出来的AP值，再选用Ae时要稍大一些。2020/9/25输出滤波器的计算扼流圈的计算：ΔIL=（Voutmin-（Vd+Vout））Tonmax/L一般ΔIL取输出电流Iout的10~30%，我们一般取20%；所以得：L=（Voutmin-（Vd+Vout））Tonmax/ΔIL计算线径时可以按5A/mm2。输出电容的计算：一般输出纹波取Vout的（0.3~0.5%）ΔVR=（0.3~0.5）×Vout/100又因为：ΔVR=ΔIL×ESR所以：ESR=ΔVR/ΔIL这里就可以计算出电容的等效输出阻抗，也就是在一定的f下，查出ESR的值。作业题：请收集适合于正激式开关电源的PWM控制IC。