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开关电源设计步骤步骤1 确定开关电源的基本参数
① 交流输入电压最小值umin
② 交流输入电压最大值umax
③ 电网频率Fl 开关频率f
④ 输出电压VO(V):已知
⑤ 输出功率PO(W):已知
⑥ 电源效率η:一般取80%
⑦ 损耗分配系数Z:Z表示次级损耗与总损耗的比值,Z=0表示全部损耗发生在初级,Z=1表示发生在次级.一般取Z=0.5
步骤2 根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB
步骤3 根据u,PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin
① 令整流桥的响应时间tc=3ms
② 根据u,查处CIN值
③ 得到Vimin
确定CIN,VImin值
u(V) PO(W) 比例系数(μF/W) CIN(μF) VImin(V)
固定输入:100/115 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
通用输入:85~265 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
固定输入:230±35 已知 1 PO ≥240
步骤4 根据u,确定VOR、VB
① 根据u由表查出VOR、VB值
② 由VB值来选择TVS
u(V) 初级感应电压VOR(V) 钳位二极管反向击穿电压VB(V)
固定输入:100/115 60 90
通用输入:85~265 135 200
固定输入:230±35 135 200
步骤5 根据Vimin和VOR来确定最大占空比Dmax
① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON)
② 应在u=umin时确定Dmax值,Dmax随u升高而减小
步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP,KRP=IR/IP
u(V) KRP
最小值(连续模式) 最大值(不连续模式)
固定输入:100/115 0.4 1
通用输入:85~265 0.4 1
固定输入:230±35 0.6 1
步骤7 确定初级波形的参数
① 输入电流的平均值IAVG
② 初级峰值电流IP
③ 初级脉动电流IR
④ 初级有效值电流IRMS
步骤8 根据电子数据表和所需IP值 选择TOPSwitch芯片
① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10%,所选芯片的极限电流最小值ILIMIT(min)应满足:0.9 ILIMIT(min)≥IP
步骤9和10 计算芯片结温Tj
① 按下式结算:
Tj=[I2RMS×RDS(ON)+1/2×CXT×(VImax+VOR) 2 f ]×Rθ+25℃
式中CXT是漏极电路结点的等效电容,即高频变压器初级绕组分布电容
② 如果Tj>100℃,应选功率较大的芯片
步骤11 验算IP IP=0.9ILIMIT(min)
① 输入新的KRP且从最小值开始迭代,直到KRP=1
② 检查IP值是否符合要求
③ 迭代KRP=1或IP=0.9ILIMIT(min)
步骤12 计算高频变压器初级电感量LP,LP单位为μH
步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架,查出以下参数:
① 磁芯有效横截面积Sj(cm2),即有效磁通面积.
② 磁芯的有效磁路长度l(cm)
③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2)
④ 骨架宽带b(mm)
步骤14 为初级层数d和次级绕组匝数Ns赋值
① 开始时取d=2(在整个迭代中使1≤d≤2)
② 取Ns=1(100V/115V交流输入),或Ns=0.6(220V或宽范围交流输入)
③ Ns=0.6×(VO+VF1)
④ 在使用公式计算时可能需要迭代
步骤15 计算初级绕组匝数Np和反馈绕组匝数NF
① 设定输出整流管正向压降VF1
② 设定反馈电路整流管正向压降VF2
③ 计算NP
④ 计算NF
步骤16~步骤22 设定最大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ,进行迭代.
① 设置安全边距M,在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm,在110V/115V交流输入时M=1.5mm.使用三重绝缘线时M=0
② 最大磁通密度BM=0.2~0.3T
若BM>0.3T,需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP,使BM在0.2~0.3T范围之内.如BM<0.2T,就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值.
③ 磁芯气隙宽度δ≥0.051mm
δ=40πSJ(NP2/1000LP-1/1000AL)
要求δ≥0.051mm,若小于此值,需增大磁芯尺寸或增加NP值.
④ 初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2
若J>10A/mm2,应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架,使J<10A/mm2.若J<4A/mm2,宜选较细的导线和较小的磁芯骨架,使J>4A/mm2;也可适当增加NP的匝数.
⑤ 确定初级绕组最小直径(裸线)DPm(mm)
⑥ 确定初级绕组最大外径(带绝缘层)DPM(mm)
⑦ 根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带be(mm) be=d(b-2M)
然后计算初级导线外径(带绝缘层)DPM:DPM=be/NP
步骤23 确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm
① 次级峰值电流ISP(A) ISP=IP×(NP/NS)
② 次级有效值电流ISRMS(A)
③ 输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)
⑤ 次级导线最小直径(裸线)DSm(mm)
⑥ 次级导线最大外径(带绝缘层)DSM(mm)
步骤24 确定V(BR)S、V(BR)FB
① 次级整流管最大反向峰值电压V(BR)S V(BR)S=VO+VImax×NS/NP
② 反馈级整流管最大反向峰值电压V(BR)FB V(BR)FB=VFB+ VImax×NF/NP
步骤25 选择钳位二极管和阻塞二极管
步骤26 选择输出整流管
步骤27 利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT
① 滤波电容COUT在105℃、100KHZ时的纹波电流应≥IRI
② 要选择等效串连电阻r0很低的电解电容
③ 为减少大电流输出时的纹波电流IRI,可将几只滤波电容并联使用,以降低电容的r0值和等效电感L0
④ COUT的容量与最大输出电流IOM有关
步骤28~29 当输出端的纹波电压超过规定值时,应再增加一级LC滤波器
① 滤波电感L=2.2~4.7μH.当IOM<1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠;大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈.
② 为减小L上的压降,宜选较大的滤波电感或增大线径.通常L=3.3μH
③ 滤波电容C取120μF /35V,要求r0很小
步骤30 选择反馈电路中的整流管
步骤31 选择反馈滤波电容
反馈滤波电容应取0.1μF /50V陶瓷电容器
步骤32 选择控制端电容及串连电阻
控制端电容一般取47μF /10V,采用普通电解电容即可.与之相串连的电阻可选6.2Ω、1/4W,在不连续模式下可省掉此电阻.
步骤33选定反馈电路
步骤34选择输入整流桥
① 整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2 umax
② 设输入有效值电流为IRMS,整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS.计算IRMS公式如下:
cosθ为开关电源功率因数,一般为0.5~0.7,可取cosθ=0.5
步骤35 设计完毕
在所有的相关参数中,只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内.它们是最大磁通密度BM(要求BM=0.2T~0.3T)、磁芯的气隙宽度δ(要求δ≥0.051mm)、初级电流密度J(规定J=4~10A/mm2).这3个参数在设计的每一步都要检查,确保其在允许的范围之内.
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