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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 10:52:06　出處：恒南電子　作者：恒南電子點擊：1256

開關電源設計教程—主體思想

很多工(gong)程師(shi)都能回想起自(zi)己(ji)初學電源時的(de)(de)情(qing)景(jing)，從最基(ji)礎(chu)的(de)(de)理論基(ji)礎(chu)開始，大(da)量(liang)的(de)(de)查閱(yue)資料。經(jing)歷了(le)迷茫和困惑(huo)，用時間(jian)一點點的(de)(de)積累。小編將(jiang)為(wei)大(da)家整理一系列有關開關電源設(she)計的(de)(de)教程，幾乎包(bao)含了(le)開關電源的(de)(de)所有拓撲。這些教程由前工(gong)程師(shi)編寫，根據(ju)自(zi)身(shen)的(de)(de)自(zi)學經(jing)驗(yan)為(wei)大(da)家量(liang)身(shen)打造，希望能夠幫助大(da)家走出迷茫，盡快邁上正(zheng)軌。

在本篇文章當中將繼續分享來自前工程師的關于反(fan)激變壓器的設計細節(jie)，這(zhe)一節(jie)是設計的主體(ti)思想(xiang)，較為重要(yao)，希望(wang)大家能(neng)夠充(chong)分理解。

本篇文章以(yi)一款19V、3.42A的(de)適配(pei)器主功率(lv)回路(lu)設計過程為(wei)中心(xin)，來(lai)講解(jie)一下反激式變壓器的(de)設計，主要參數：

輸入電(dian)壓：85-264AC；

輸出：19V3.42A；

計算輸出功率Pout=Iout*Vout=19*3.42=64.98W；

計算輸入功率。Pin=Pout/η；

這(zhe)里會出現一個效率(lv)估算的(de)問題。效率(lv)η不應該是(shi)電源的(de)總(zong)轉換效率(lv)。這(zhe)里的(de)效率(lv)應該只包括變壓器(qi)損耗(hao)(hao)、次級整流二極管(guan)(guan)損耗(hao)(hao)，PCB走線損耗(hao)(hao)，輸出線損耗(hao)(hao)。Mos管(guan)(guan)損耗(hao)(hao)，整流橋損耗(hao)(hao)，前面的(de)濾波電路的(de)損耗(hao)(hao)，都(dou)不應該計算進去的(de)。

估算(suan)大電(dian)解電(dian)容(rong)上的直流電(dian)壓

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

Vdcmin=Vacmin*1.414*90%=108.171V

這(zhe)里為(wei)什么要乘上0.9呢？是因為(wei)在AC輸入(ru)低端，Flyback工作(zuo)在(zai)靠近最大(da)占空比的位置，此時整個(ge)功率回路的增益必須(xu)保證(zheng)有余量，計算(suan)輸入(ru)電壓應該按照大(da)電解電容(rong)上的谷底(di)電壓來進行(xing)計算(suan)。谷底(di)電壓到底(di)是多(duo)少，這個(ge)和(he)所選取的電解電容(rong)的容(rong)量有關系，具體(ti)怎么計算(suan)，大(da)家可(ke)去網(wang)絡上查詢(xun)，有很(hen)多(duo)相(xiang)關資料。

高(gao)壓端滿載，Flyback工(gong)作在(zai)滿載的最小占空比(bi)狀態，這個時候需(xu)要注意的是Mos管(guan)，二極管(guan)上面的電壓應力，而整個電路的增益不需要考慮的。

選擇工作頻率

Mos管上的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓應力越低，頻率就可(ke)以跑的(de)(de)越高(gao)，也就是輸入電(dian)(dian)(dian)壓越低的(de)(de)產品，頻率就可(ke)以跑得高(gao)一些，因為電(dian)(dian)(dian)壓高(gao)低對(dui)開(kai)關電(dian)(dian)(dian)源(yuan)Mos管上面的(de)(de)交叉損(sun)耗，影(ying)響非常(chang)大。可(ke)觀察(cha)一下跑到上M級別頻率的(de)(de)開(kai)關電(dian)(dian)(dian)源(yuan)，輸入電(dian)(dian)(dian)壓都是非常(chang)低的(de)(de)。

對于全電壓(ya)反激，100K沒問題的(de)(de)(de)(de)。不要(yao)抱著頻(pin)率(lv)(lv)低(di)，效率(lv)(lv)高這(zhe)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)觀點去設(she)(she)計(ji)，其(qi)實這(zhe)種說(shuo)法不科學的(de)(de)(de)(de)。頻(pin)率(lv)(lv)低(di)，每秒鐘開關次(ci)數少，開關損(sun)耗感覺會小一些。但是(shi)(shi)(shi)這(zhe)個是(shi)(shi)(shi)有前(qian)提(ti)條件的(de)(de)(de)(de)，前(qian)提(ti)條件就是(shi)(shi)(shi)對于已經設(she)(she)計(ji)好(hao)的(de)(de)(de)(de)變壓(ya)器，降低(di)頻(pin)率(lv)(lv)，是(shi)(shi)(shi)可以直接(jie)觀察到效率(lv)(lv)提(ti)高。

但是在設(she)計(ji)初始階(jie)段，就(jiu)不一定了。頻率太(tai)低，變壓器(qi)需要(yao)較大(da)電(dian)感量，同樣的(de)磁芯(xin)需要(yao)更(geng)多的(de)匝(za)數，骨架(jia)定了，可(ke)利用的(de)窗口面積一定，那么較多的(de)匝(za)數就(jiu)不得(de)不用比較細(xi)的(de)線(xian)徑(jing)，這樣就(jiu)不利于(yu)線(xian)損控制。較多的(de)匝(za)數，會有更(geng)大(da)的(de)寄生電(dian)容，造成Mos管(guan)開通(tong)電(dian)流沖(chong)過大(da)，損耗(hao)不降反(fan)增。

其實可(ke)以在(zai)(zai)可(ke)接(jie)受的(de)(de)(de)范圍內，盡量提高開關頻率(lv)。因為(wei)變(bian)(bian)壓(ya)器溫(wen)升(sheng)處(chu)理(li)，很多情(qing)況下比Mos管(guan)(guan)更(geng)麻煩。較(jiao)高的(de)(de)(de)開關頻率(lv)就可(ke)以降低(di)所需電(dian)(dian)感量，降低(di)匝數(shu)，我們就可(ke)以選取(qu)更(geng)粗一(yi)些的(de)(de)(de)線(xian)徑(jing)，同時變(bian)(bian)壓(ya)器寄(ji)生參數(shu)會變(bian)(bian)得更(geng)好，假(jia)如選取(qu)合適(shi)的(de)(de)(de)工作點，Mos管(guan)(guan)的(de)(de)(de)溫(wen)升(sheng)完全(quan)(quan)可(ke)以保證在(zai)(zai)可(ke)以接(jie)受的(de)(de)(de)范圍內。對于(yu)全(quan)(quan)電(dian)(dian)壓(ya)，新手不妨以65K作為(wei)起始(shi)點開始(shi)進行設(she)計(ji)。其實全(quan)(quan)電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)反激，65-110K都沒問題的(de)(de)(de)。

新(xin)手大可以65K作為設計出發點(dian)。

什(shen)么(me)時候需(xu)要調(diao)整頻(pin)率(lv)呢，對于(yu)(yu)選定(ding)的(de)磁芯，變(bian)壓器(qi)繞(rao)不(bu)下(xia)了(le)，在板子(zi)Outline確定(ding)的(de)情況下(xia)，不(bu)能(neng)更換更大(da)的(de)磁芯，就(jiu)(jiu)需(xu)要提高工作(zuo)頻(pin)率(lv)，提高了(le)工作(zuo)頻(pin)率(lv)，對于(yu)(yu)同樣的(de)輸出功率(lv)，變(bian)壓器(qi)繞(rao)線的(de)圈數就(jiu)(jiu)會變(bian)小(xiao)。

注意一點(dian)，頻率變(bian)高，理論上磁(ci)(ci)芯損(sun)耗會增加，但是實際設計中，對(dui)于工(gong)(gong)作在第一象(xiang)限的(de)連續(xu)反激模式開關電源(yuan)，磁(ci)(ci)芯損(sun)耗增加是很(hen)有限的(de)。改(gai)變(bian)電源(yuan)的(de)工(gong)(gong)作頻率，對(dui)整(zheng)機最大的(de)影響是改(gai)變(bian)工(gong)(gong)作頻率，整(zheng)機的(de)溫升分布會發生轉(zhuan)移(yi)。頻率抬高，Mos管(guan)、二極管(guan)的(de)溫升理論上會有所(suo)增加，變(bian)壓器線包(bao)溫升會下降。

提高了(le)開關(guan)頻率(lv)，開關(guan)管(guan)(guan)在一秒鐘(zhong)內開關(guan)次(ci)數(shu)(shu)變多了(le)，開關(guan)交叉損(sun)耗的(de)(de)次(ci)數(shu)(shu)也變多了(le)，但是開關(guan)管(guan)(guan)的(de)(de)溫升不(bu)一定會(hui)變高。因(yin)為變壓器的(de)(de)寄生參數(shu)(shu)因(yin)為匝數(shu)(shu)減少而(er)變得更好，寄生電容產生的(de)(de)損(sun)耗很多情況(kuang)下都會(hui)有所改善。

頻(pin)率變高，次級(ji)整流二極(ji)管的(de)損耗會有所增加，因為二極(ji)管寄生(sheng)電(dian)容（與二極(ji)管并聯）的(de)存在(zai)，頻(pin)率變高，寄生(sheng)電(dian)容在(zai)每秒鐘充放電(dian)的(de)次數也(ye)會隨(sui)之(zhi)增加，而寄生(sheng)電(dian)容放電(dian)是通過二極(ji)管本(ben)身(shen)放電(dian)的(de)，這個影響也(ye)是有限的(de)。

選擇合適的最大占空比

回(hui)顧一下上面寫的反激式(shi)開關(guan)電源輸入輸出關(guan)系表達式(shi)：

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

Ton=T*D

Voff=T*(1-D)

代入(ru)上式得：

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

我們對于(yu)一定的(de)輸(shu)入輸(shu)出電壓(ya)，要確定一個合(he)適的(de)主回路(lu)增益。<什么是(shi)增益，就是(shi)Vout/Vindc(大(da)電解電容上的(de)電壓(ya)Vindc)>，所有(you)的(de)拓撲的(de)設計，這一步都是(shi)必不可(ke)少的(de)。看一下(xia)與反激式主回路(lu)增益有(you)關(guan)的(de)參(can)數，占(zhan)空(kong)比(bi)D與變(bian)比(bi)n。

先說占空比，D<0.5，在(zai)變比為(wei)1的情況下，主回路(lu)增益(yi)<1，也(ye)就是說，這(zhe)時候反激式電路(lu)是工作(zuo)在(zai)降壓區域(yu)。占空比D>0.5，反激式工作(zuo)在(zai)升壓區域(yu)。

變比

變比對什么東(dong)西有(you)影響呢?變比直接影響到Mos管，輸出二(er)(er)極管的(de)電壓(ya)應力(li)，因為我們(men)常規產品(pin)都(dou)是(shi)市電輸入，輸出也(ye)是(shi)有(you)標準的(de)幾個檔次，常用電壓(ya)一般(ban)有(you)5V、12V、24V、48V，這樣子呢，世面上大(da)量供貨的(de)Mos管，整(zheng)流二(er)(er)極管，也(ye)都(dou)有(you)對應的(de)型號(hao)。

所以呢，對于一定的(de)輸入輸出(chu)電壓，我們(men)不能隨意的(de)去選擇(ze)占空比，這(zhe)個都(dou)是有可取的(de)范圍的(de)。我們(men)先看一下Mos管的(de)電壓應力(li)。

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)

圖1是斷續(xu)模式(shi)的(de)Vds和次級電流對應的(de)波形。

Mos關斷(duan)，次級二極(ji)管導通(tong)，變壓(ya)(ya)(ya)器次級同名端電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)被鉗位到Vout+Vf（Vf是整流二極(ji)管的(de)正(zheng)向壓(ya)(ya)(ya)降）。初(chu)級Mos管關斷(duan)，Mos管上(shang)的(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)應(ying)(ying)力為(wei)(wei)Vdc加上(shang)變壓(ya)(ya)(ya)器次級反(fan)射到初(chu)級的(de)反(fan)射電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)。實(shi)際計(ji)算(suan)的(de)時(shi)候(hou)，我們應(ying)(ying)該在(zai)(zai)Vdcmax這個點來進(jin)行計(ji)算(suan)，因(yin)(yin)為(wei)(wei)Mos管一(yi)定是在(zai)(zai)輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)最高的(de)時(shi)候(hou)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)應(ying)(ying)力最大(da)。當然Vds上(shang)的(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)應(ying)(ying)力，除了我們計(ji)算(suan)出來的(de)平臺電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，還有因(yin)(yin)為(wei)(wei)寄生(sheng)參數產生(sheng)的(de)振(zhen)鈴尖(jian)峰。

所以(yi)呢，對于管子耐(nai)壓(ya)我(wo)(wo)們都要(yao)(yao)(yao)留裕量的(de)(de)(de)，一般我(wo)(wo)們取管子標稱(cheng)耐(nai)壓(ya)的(de)(de)(de)80-90%，具(ju)體要(yao)(yao)(yao)看產品(pin)的(de)(de)(de)客戶規格(ge)書，或者(zhe)自(zi)(zi)己公司內(nei)部的(de)(de)(de)要(yao)(yao)(yao)求。變比n同(tong)時還決定輸出整流二極管的(de)(de)(de)電壓(ya)應(ying)力(li)，推(tui)導方法(fa)和(he)Vsd一樣(yang)，大家可以(yi)自(zi)(zi)行推(tui)導。

其(qi)實我們在實際設計中(zhong)，不會單獨的(de)(de)去選取變(bian)比(bi)，而是使用(yong)反激式變(bian)換器的(de)(de)總增益公(gong)式，直接選(xuan)取(qu)Dmax，從而(er)得出適合(he)的變比n.

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

Ton=T*D

Voff=T*(1-D)

代入上式得(de)：

Vout=(1/n)

這個是反(fan)激式的(de)輸(shu)入輸(shu)出關系式:

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

對于一定(ding)的(de)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(yi)知Vin已(yi)知我們選取(qu)合適的D值，就會(hui)得到不同的變比n。

(這(zhe)里(li)需要注(zhu)意，選取占(zhan)空(kong)比(bi)，是按(an)照(zhao)最(zui)(zui)(zui)低(di)輸入電(dian)壓(ya)(ya)來選取的，因為(wei)我們必須保證在(zai)最(zui)(zui)(zui)低(di)輸出電(dian)壓(ya)(ya)的情況下(xia)，電(dian)源能夠帶(dai)滿載，并且需要有增(zeng)益裕量(liang)，保證動態性能。而變比(bi)的參數跟最(zui)(zui)(zui)大占(zhan)空(kong)比(bi)是對應的，觀察反激式(shi)的輸入輸出增(zeng)益公(gong)式(shi)，會(hui)發現每一個最(zui)(zui)(zui)大占(zhan)空(kong)比(bi)對應一個變比(bi)。)

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)

Vd=(Vdcmax/n)+Vout

把得(de)到的變比(bi)(bi)n帶(dai)如(ru)上式，就(jiu)可(ke)以得(de)到對應的Mos管(guan)電壓(ya)應力（平臺(tai)），輸(shu)出二極(ji)管(guan)電壓(ya)應力，根據實際可(ke)選(xuan)的Mos管(guan)，二極(ji)管(guan)的耐壓(ya)，就(jiu)可(ke)以選(xuan)出合適的可(ke)用占空(kong)比(bi)(bi)。

不(bu)要(yao)(yao)感覺很(hen)(hen)麻(ma)煩，實(shi)際設計(ji)過程中，很(hen)(hen)多參(can)數(shu)都需要(yao)(yao)反復迭代的(de)，但并不(bu)提倡大家進行手(shou)算。下手(shou)計(ji)算第一(yi)容易出錯，第二(er)，效率很(hen)(hen)低，推薦一(yi)定要(yao)(yao)用合適的(de)軟件，比如(ru)Mathcad，Excel，把公式做成計(ji)算表，我們(men)只需要(yao)(yao)根據自己(ji)的(de)分析判斷輸入參(can)數(shu)，計(ji)算由電腦(nao)來完成。

上(shang)面提及的(de)知識都是(shi)是(shi)否能夠(gou)充分理(li)解變壓器設計的(de)主要(yao)(yao)思(si)想。希望大家能夠(gou)充分理(li)解。從事電源(yuan)工程(cheng)師行(xing)業(ye)，實踐經驗的(de)重要(yao)(yao)性要(yao)(yao)遠遠大于基礎理(li)論的(de)學(xue)習，知識都是(shi)在問題的(de)解決和實踐中(zhong)學(xue)習到的(de)，而不是(shi)對(dui)著書本死磕理(li)論得來的(de)。

-END-

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