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今天是

開關電源設計的主體思想！

添加時間：2020-7-8 10:48:42　出處：恒南電子　作者：恒南電子點擊：1304

開關電源設計教程—主體思想

很(hen)多工(gong)程師(shi)都能回想(xiang)起自己初學電源時的(de)(de)(de)情景，從最基礎的(de)(de)(de)理(li)論基礎開始(shi)，大(da)量的(de)(de)(de)查閱(yue)資(zi)料。經歷(li)了(le)迷茫(mang)和困惑，用(yong)時間一(yi)點點的(de)(de)(de)積累。小編(bian)將為(wei)大(da)家(jia)整(zheng)理(li)一(yi)系列有關開關電源設計(ji)的(de)(de)(de)教程，幾乎包含了(le)開關電源的(de)(de)(de)所有拓撲。這(zhe)些教程由前工(gong)程師(shi)編(bian)寫，根據自身的(de)(de)(de)自學經驗(yan)為(wei)大(da)家(jia)量身打造，希望能夠幫助大(da)家(jia)走出迷茫(mang)，盡快邁上正(zheng)軌(gui)。

在本篇(pian)文章當中將繼續分(fen)享來自前(qian)工程師的關于反激變壓(ya)器(qi)的設計(ji)細節，這一節是設計(ji)的主體思想，較為重要(yao)，希望大家能(neng)夠充分(fen)理解。

本篇文章以一(yi)款19V、3.42A的(de)適(shi)配器主功率回路設計(ji)過程為中心，來講解一(yi)下反激(ji)式變壓器的(de)設計(ji)，主要(yao)參數：

輸入電壓：85-264AC；

輸出：19V3.42A；

計算輸(shu)出功(gong)率(lv)Pout=Iout*Vout=19*3.42=64.98W；

計(ji)算(suan)輸入功率。Pin=Pout/η；

這(zhe)里會出現一個效率(lv)估算(suan)的(de)(de)問題。效率(lv)η不應該是電源的(de)(de)總轉換效率(lv)。這(zhe)里的(de)(de)效率(lv)應該只包括變壓(ya)器損(sun)耗(hao)、次級整流二極管損(sun)耗(hao)，PCB走線損(sun)耗(hao)，輸出線損(sun)耗(hao)。Mos管損(sun)耗(hao)，整流橋損(sun)耗(hao)，前(qian)面的(de)(de)濾波(bo)電路(lu)的(de)(de)損(sun)耗(hao)，都不應該計算(suan)進去的(de)(de)。

估算大電(dian)解電(dian)容上的直流(liu)電(dian)壓

Vdcmax=Vacmax*1.414=264*1.414=373V

Vdcmin=Vacmin*1.414*90%=108.171V

這(zhe)里為什么(me)要乘(cheng)上0.9呢？是因為在AC輸(shu)入(ru)低端，Flyback工作在靠近最(zui)大(da)占空比的(de)位置，此時整個(ge)功率回路的(de)增益必須(xu)保(bao)證有余量，計算輸(shu)入(ru)電(dian)壓應該按照大(da)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)(rong)上的(de)谷底(di)電(dian)壓來進行計算。谷底(di)電(dian)壓到底(di)是多少，這(zhe)個(ge)和所選(xuan)取的(de)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)(rong)的(de)容(rong)(rong)量有關(guan)(guan)系，具體怎(zen)么(me)計算，大(da)家(jia)可去網絡上查詢，有很多相關(guan)(guan)資料。

高壓端滿(man)載，Flyback工作在滿(man)載的(de)最(zui)小占空比狀態，這個時(shi)候需要注意(yi)的(de)是Mos管(guan)，二極管(guan)上面的(de)電壓應力，而整個電路的(de)增益不需要考慮的(de)。

選擇工作頻率

Mos管上的(de)(de)電(dian)壓(ya)應力越低(di)，頻率(lv)就可(ke)以(yi)跑(pao)的(de)(de)越高，也就是(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)越低(di)的(de)(de)產(chan)品，頻率(lv)就可(ke)以(yi)跑(pao)得(de)高一些，因為電(dian)壓(ya)高低(di)對(dui)開關(guan)電(dian)源Mos管上面的(de)(de)交叉損耗，影響非常大。可(ke)觀察一下跑(pao)到上M級別頻率(lv)的(de)(de)開關(guan)電(dian)源，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)都是(shi)非常低(di)的(de)(de)。

對(dui)于(yu)全電壓反(fan)激，100K沒問題(ti)的(de)(de)(de)。不要抱著頻(pin)率低，效率高(gao)(gao)這樣的(de)(de)(de)觀點去設(she)(she)計，其實這種說法不科學(xue)的(de)(de)(de)。頻(pin)率低，每秒(miao)鐘開關次數少(shao)，開關損耗感(gan)覺會小一些(xie)。但是(shi)這個是(shi)有前(qian)提(ti)條件(jian)的(de)(de)(de)，前(qian)提(ti)條件(jian)就是(shi)對(dui)于(yu)已經設(she)(she)計好的(de)(de)(de)變壓器，降低頻(pin)率，是(shi)可以(yi)直接觀察到效率提(ti)高(gao)(gao)。

但(dan)是在設計(ji)初始階段，就不(bu)一定(ding)(ding)(ding)了。頻率太(tai)低，變壓器需要較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)電感量，同樣(yang)的(de)磁芯(xin)需要更(geng)(geng)多(duo)(duo)的(de)匝(za)數(shu)，骨架(jia)定(ding)(ding)(ding)了，可利用的(de)窗口面積一定(ding)(ding)(ding)，那(nei)么較(jiao)(jiao)(jiao)多(duo)(duo)的(de)匝(za)數(shu)就不(bu)得不(bu)用比較(jiao)(jiao)(jiao)細的(de)線(xian)徑(jing)，這樣(yang)就不(bu)利于(yu)線(xian)損控制。較(jiao)(jiao)(jiao)多(duo)(duo)的(de)匝(za)數(shu)，會有更(geng)(geng)大(da)的(de)寄生電容，造成Mos管(guan)開(kai)通電流沖過大(da)，損耗不(bu)降反(fan)增。

其實可以(yi)(yi)在可接(jie)受(shou)的(de)范圍內(nei)，盡量提高(gao)開關(guan)頻(pin)率。因為變(bian)壓(ya)器溫(wen)升處理(li)，很多情(qing)況下比Mos管(guan)更(geng)麻(ma)煩。較(jiao)高(gao)的(de)開關(guan)頻(pin)率就(jiu)可以(yi)(yi)降低所需電(dian)感量，降低匝數(shu)(shu)，我(wo)們就(jiu)可以(yi)(yi)選取更(geng)粗一些的(de)線徑(jing)，同時(shi)變(bian)壓(ya)器寄生參數(shu)(shu)會(hui)變(bian)得更(geng)好，假如選取合適的(de)工作點，Mos管(guan)的(de)溫(wen)升完全可以(yi)(yi)保證在可以(yi)(yi)接(jie)受(shou)的(de)范圍內(nei)。對(dui)于全電(dian)壓(ya)，新手不妨以(yi)(yi)65K作為起始點開始進行設計。其實全電(dian)壓(ya)的(de)反激，65-110K都沒(mei)問題的(de)。

新(xin)手大可(ke)以65K作(zuo)為設計出發(fa)點。

什么時候需(xu)要(yao)調(diao)整頻率(lv)(lv)呢，對(dui)于選定的(de)磁芯(xin)，變(bian)壓器繞(rao)不(bu)下了(le)，在板(ban)子Outline確定的(de)情況下，不(bu)能更(geng)換更(geng)大的(de)磁芯(xin)，就需(xu)要(yao)提高工作頻率(lv)(lv)，提高了(le)工作頻率(lv)(lv)，對(dui)于同樣的(de)輸(shu)出功(gong)率(lv)(lv)，變(bian)壓器繞(rao)線的(de)圈數就會變(bian)小。

注意一(yi)點，頻率變(bian)高(gao)，理論上磁芯損(sun)耗(hao)會增(zeng)加(jia)，但是(shi)(shi)實際設(she)計中，對(dui)于工作(zuo)在第(di)一(yi)象限的(de)連續(xu)反激模式開關電(dian)源(yuan)，磁芯損(sun)耗(hao)增(zeng)加(jia)是(shi)(shi)很有限的(de)。改變(bian)電(dian)源(yuan)的(de)工作(zuo)頻率，對(dui)整(zheng)(zheng)機最大的(de)影響是(shi)(shi)改變(bian)工作(zuo)頻率，整(zheng)(zheng)機的(de)溫升分布會發生轉移。頻率抬高(gao)，Mos管、二(er)極管的(de)溫升理論上會有所增(zeng)加(jia)，變(bian)壓(ya)器(qi)線(xian)包(bao)溫升會下(xia)降。

提高(gao)了(le)(le)開(kai)關頻率(lv)，開(kai)關管(guan)在一秒鐘內(nei)開(kai)關次(ci)數變多(duo)了(le)(le)，開(kai)關交叉損耗(hao)的(de)次(ci)數也變多(duo)了(le)(le)，但是開(kai)關管(guan)的(de)溫升不(bu)一定(ding)會變高(gao)。因(yin)(yin)為(wei)變壓器的(de)寄(ji)生(sheng)(sheng)參數因(yin)(yin)為(wei)匝數減(jian)少而變得更好，寄(ji)生(sheng)(sheng)電容產生(sheng)(sheng)的(de)損耗(hao)很多(duo)情(qing)況下都會有所改善。

頻率變高(gao)(gao)，次級整(zheng)流二(er)極(ji)管(guan)的(de)損耗(hao)會有(you)(you)所增(zeng)加(jia)，因為二(er)極(ji)管(guan)寄(ji)生(sheng)電容(rong)（與(yu)二(er)極(ji)管(guan)并聯）的(de)存在(zai)，頻率變高(gao)(gao)，寄(ji)生(sheng)電容(rong)在(zai)每秒鐘充(chong)放(fang)電的(de)次數也會隨之增(zeng)加(jia)，而寄(ji)生(sheng)電容(rong)放(fang)電是通過二(er)極(ji)管(guan)本(ben)身放(fang)電的(de)，這個影(ying)響也是有(you)(you)限的(de)。

選擇合適的最大占空比

回顧(gu)一下(xia)上面寫的(de)反激式開關(guan)(guan)電(dian)源輸入輸出關(guan)(guan)系表達式：

Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>

Ton=T*D

Voff=T*(1-D)

代(dai)入(ru)上式得：

Vout=(1/n)(Vin*<D/(1-D))>

我們對于(yu)一(yi)定(ding)的(de)(de)輸入輸出電壓，要確定(ding)一(yi)個合適(shi)的(de)(de)主(zhu)回(hui)路(lu)增益(yi)。<什么是增益(yi)，就是Vout/Vindc(大電解(jie)電容上的(de)(de)電壓Vindc)>，所有的(de)(de)拓撲的(de)(de)設計，這一(yi)步都是必不可少的(de)(de)。看(kan)一(yi)下與反激式主(zhu)回(hui)路(lu)增益(yi)有關的(de)(de)參數，占空比D與變比n。

先說占空(kong)(kong)比(bi)，D<0.5，在(zai)變比(bi)為1的情(qing)況(kuang)下(xia)，主回(hui)路增益<1，也就是說，這時候反(fan)(fan)激式(shi)電路是工(gong)(gong)作在(zai)降壓區域。占空(kong)(kong)比(bi)D>0.5，反(fan)(fan)激式(shi)工(gong)(gong)作在(zai)升壓區域。

變比

變比對(dui)什么東西有影(ying)響呢?變比直接影(ying)響到Mos管，輸(shu)(shu)出二極管的電(dian)壓(ya)(ya)應力，因為我們(men)常(chang)規產品都是市電(dian)輸(shu)(shu)入，輸(shu)(shu)出也(ye)(ye)是有標準的幾個檔次，常(chang)用電(dian)壓(ya)(ya)一般有5V、12V、24V、48V，這樣(yang)子呢，世面上大(da)量供(gong)貨的Mos管，整流二極管，也(ye)(ye)都有對(dui)應的型號。

所以呢，對于一定的(de)輸(shu)入輸(shu)出電壓(ya)，我們不能隨意的(de)去選擇占空比，這個都是(shi)有(you)可(ke)取的(de)范圍的(de)。我們先看(kan)一下Mos管的(de)電壓(ya)應力(li)。

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)

圖1是(shi)斷續模式的Vds和(he)次級電流對應(ying)的波形。

Mos關(guan)斷，次(ci)級(ji)二極管(guan)(guan)導通(tong)，變(bian)壓(ya)器次(ci)級(ji)同名(ming)端電壓(ya)被(bei)鉗位(wei)到Vout+Vf（Vf是整流二極管(guan)(guan)的(de)(de)正向壓(ya)降）。初級(ji)Mos管(guan)(guan)關(guan)斷，Mos管(guan)(guan)上的(de)(de)電壓(ya)應(ying)(ying)(ying)力為(wei)Vdc加(jia)上變(bian)壓(ya)器次(ci)級(ji)反射到初級(ji)的(de)(de)反射電壓(ya)。實(shi)際計算(suan)(suan)的(de)(de)時候，我們應(ying)(ying)(ying)該在(zai)Vdcmax這個點(dian)來進行(xing)計算(suan)(suan)，因為(wei)Mos管(guan)(guan)一定是在(zai)輸入電壓(ya)最高的(de)(de)時候電壓(ya)應(ying)(ying)(ying)力最大(da)。當然Vds上的(de)(de)電壓(ya)應(ying)(ying)(ying)力，除(chu)了我們計算(suan)(suan)出來的(de)(de)平(ping)臺電壓(ya)，還(huan)有因為(wei)寄生參數產生的(de)(de)振鈴尖峰。

所以(yi)呢，對于管(guan)(guan)子耐壓(ya)我(wo)們(men)都要(yao)(yao)留(liu)裕量的(de)，一般我(wo)們(men)取管(guan)(guan)子標稱耐壓(ya)的(de)80-90%，具體(ti)要(yao)(yao)看(kan)產(chan)品的(de)客(ke)戶(hu)規格(ge)書，或者自(zi)己公(gong)司(si)內部(bu)的(de)要(yao)(yao)求。變比n同時還決定(ding)輸出整流二極管(guan)(guan)的(de)電壓(ya)應力，推(tui)導方法和(he)Vsd一樣，大(da)家(jia)可以(yi)自(zi)行(xing)推(tui)導。

其實(shi)我(wo)們在實(shi)際設計中，不會單獨(du)的(de)去選取變(bian)比，而是使用反(fan)激式變(bian)換器的(de)總增益公式，直接(jie)選取Dmax，從而得出(chu)適合的變比(bi)n.

Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>

Ton=T*D

Voff=T*(1-D)

代入(ru)上式(shi)得：

Vout=(1/n)

這個是反激式的輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)關系(xi)式:

Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>

對于一(yi)定(ding)的輸入輸出:

Vout=19V

Vinmin=Vacmin*1.414*0.9=85*1.414*0.9=108.171V

Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>------>Vout

已知Vin已知我們選(xuan)取合適(shi)的D值，就會得到不同的變比n。

(這里需要注(zhu)意，選(xuan)(xuan)取占(zhan)空比(bi)(bi)(bi)，是按照最(zui)低輸(shu)入(ru)電(dian)壓來選(xuan)(xuan)取的(de)，因(yin)為我(wo)們必須保(bao)(bao)證(zheng)在最(zui)低輸(shu)出(chu)電(dian)壓的(de)情(qing)況下(xia)，電(dian)源能夠帶(dai)滿載，并且(qie)需要有增(zeng)益(yi)裕量，保(bao)(bao)證(zheng)動態性能。而(er)變比(bi)(bi)(bi)的(de)參數跟最(zui)大占(zhan)空比(bi)(bi)(bi)是對應(ying)的(de)，觀(guan)察反激式的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)增(zeng)益(yi)公(gong)式，會發現每一(yi)個最(zui)大占(zhan)空比(bi)(bi)(bi)對應(ying)一(yi)個變比(bi)(bi)(bi)。)

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)

Vd=(Vdcmax/n)+Vout

把(ba)得到(dao)的變比(bi)n帶如上式，就可(ke)(ke)以得到(dao)對(dui)應的Mos管(guan)電壓(ya)應力（平(ping)臺），輸出(chu)二極(ji)管(guan)電壓(ya)應力，根據(ju)實(shi)際可(ke)(ke)選(xuan)的Mos管(guan)，二極(ji)管(guan)的耐壓(ya)，就可(ke)(ke)以選(xuan)出(chu)合適的可(ke)(ke)用(yong)占空比(bi)。

不(bu)要感覺(jue)很麻煩，實(shi)際(ji)設計過(guo)程中，很多參(can)數都(dou)需(xu)要反復迭(die)代的，但并不(bu)提倡大家進(jin)行手(shou)算。下手(shou)計算第一容易出錯，第二，效率很低，推薦一定要用(yong)合適的軟件，比如Mathcad，Excel，把公式做成計算表，我們(men)只需(xu)要根據自己的分析判斷輸入參(can)數，計算由電腦來完成。

上面提及的(de)(de)知(zhi)識都是是否能(neng)夠充(chong)分理(li)解(jie)(jie)變壓(ya)器設計的(de)(de)主要思(si)想(xiang)。希望大家能(neng)夠充(chong)分理(li)解(jie)(jie)。從事電源工程師(shi)行業，實踐經驗(yan)的(de)(de)重要性要遠(yuan)遠(yuan)大于基礎理(li)論的(de)(de)學習，知(zhi)識都是在問題的(de)(de)解(jie)(jie)決和實踐中(zhong)學習到(dao)的(de)(de)，而不是對著書本死(si)磕理(li)論得來的(de)(de)。

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