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开关电源设计

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楼主: wangdezhi
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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:56 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览
图1是断续模式的Vds和次级电流对应的波形。


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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:56 | 只看该作者
Mos关断,次级二极管导通,变压器次级同名端电压被钳位到Vout+Vf(Vf是整流二极管的正向压降)。初级Mos管关断,Mos管上的电压应力为Vdc加上变压器次级反射到初级的反射电压。实际计算的时候,我们应该在Vdcmax这个点来进行计算,因为Mos管一定是在输入电压最高的时候电压应力最大。当然Vds上的电压应力,除了我们计算出来的平台电压,还有因为寄生参数产生的振铃尖峰。

图3


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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:57 | 只看该作者
所以呢,对于管子耐压我们都要留裕量的,一般我们取管子标称耐压的80-90%,具体要看产品的客户规格书,或者自己公司内部的要求。变比n同时还决定输出整流二极管的电压应力,推导方法和Vsd一样,大家可以自行推导。

其实我们在实际设计中,不会单独的去选取变比,而是使用反激式变换器的总增益公式,直接选取Dmax,从而得出适合的变比n.

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

Ton=T*D

Voff=T*(1-D)

代入上式得:

Vout=(1/n)

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:57 | 只看该作者
这个是反激式的输入输出关系式:

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

对于一定的输入输出:

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已知我们选取合适的D值,就会得到不同的变比n。

(这里需要注意,选取占空比,是按照最低输入电压来选取的,因为我们必须保证在最低输出电压的情况下,电源能够带满载,并且需要有增益裕量,保证动态性能。而变比的参数跟最大占空比是对应的,观察反激式的输入输出增益公式,会发现每一个最大占空比对应一个变比。)

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)

Vd=(Vdcmax/n)+Vout

把得到的变比n带如上式,就可以得到对应的Mos管电压应力(平台),输出二极管电压应力,根据实际可选的Mos管,二极管的耐压,就可以选出合适的可用占空比。

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:57 | 只看该作者
不要感觉很麻烦,实际设计过程中,很多参数都需要反复迭代的,但并不提倡大家进行手算。下手计算第一容易出错,第二,效率很低,推荐一定要用合适的软件,比如Mathcad,Excel,把公式做成计算表,我们只需要根据自己的分析判断输入参数,计算由电脑来完成。

上面提及的知识都是是否能够充分理解变压器设计的主要思想。希望大家能够充分理解。从事电源工程师行业,实践经验的重要性要远远大于基础理论的学习,知识都是在问题的解决和实践中学习到的,而不是对着书本死磕理论得来的。在下一篇教程当中,将为大家带来反激开关电源当中相关器件参数计算。

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:57 | 只看该作者

K值就是上面说的电流连续比上面计算书定义的Ip2是电流上升前沿Ip1是电流上升后沿。所以当K=0的时候变压器是工作在临界模式以下的为防止计算出错一般习惯取0.001.

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:58 | 只看该作者
断续模式Ip就是ΔI;


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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:58 | 只看该作者
得到了ΔI由--》E*T=L*ΔI得:

Lp=(Vinmin*Tonmax)/ΔI

这时候就得到了变压器初级所需要的电感量。

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:58 | 只看该作者
关于磁芯的选择网上有关于Ap法的很多计算公式。其实在做项目的时候根本没用过一次Ap法。对于公司已有的相同功率等级的型号,可以直接参照别的型号的磁芯作为初始设计出发点。

要是线绕不下,就抬高工作频率,骨架太空了,就选小一号的,一般经过几次迭代或者实验就出来了。对于完全全新的型号,是根据经验估算一个初始点,然后经过反复迭代得出结果的。其实对于一般的功率等级,向反激式这种拓扑,多大功率用多大磁芯,经验丰富一点的工程师都知道,可以向他们请教。

选定了磁芯后,根据规格书得到对应的Ae值,然后就可以进行匝数计算。

由E*T=Lp*ΔI=Np*Ae*ΔB

对于断续模式ΔB=Bmax,

对于连续模式

ΔB=Bmax*(1-K)

因为连续模式电流有一部分直流分量,对应Bmax也有一部分直流励磁。这个一定注意,连续模式要是直接用Bmax来计算匝数匝数就会算少所以很容易就会饱和了。

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:58 | 只看该作者
有关Bmax的取值,对于常见的PC40/PC44材料,保证在最恶劣工作状态下,不要超过0.38。计算的时候,一般选取0.28-0.32之间,假如在极限条件下抓到饱和波形,可以抬高一点频率。

上面公式是计算断续模式匝数的。


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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:58 | 只看该作者
ΔB=Bmax,

对于连续模式,上面式子一定要修改为:

ΔB=Bmax*(1-K)

要不然计算出的匝数偏小,动态情况下很容易就饱和了。

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:58 | 只看该作者
计算气隙长度。

公式推导比较简单的,具体的可以自行百度。安培环路定则还有做电源的俩最基本的公式消元法就OK了。

上面做了近似,近似所有的磁场能量都储存在气隙里面,因为磁芯的磁导率很高,气隙的磁场强度是磁芯的几时到几百倍,所以,近似磁芯为磁路短路,磁回路长度近似为气隙长度。

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:59 | 只看该作者
注意合理匝数取整。这个结合自己项目实际情况,取整后,变比会有所变化,Dmax也会有所变化,所以需要用取整后的参数进行核算Bmax。


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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:59 | 只看该作者
对取整以后的变压器参数进行反向核算

因为对变压器进行了匝数取整变比也就成了一个确定值。Vinmin已知,变比n已知。

上面的公式我不推导了还是利用伏秒积平衡原理。

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:59 | 只看该作者
变压器初级电流我们在确定初级电感量的时候,是使用平均值反推出峰值,但是,由于变压器绕组主要损耗是线电阻损耗,电流在电阻负载上的功耗计算,需要有效值电流。反激式工作电流波有两种状态,断续模式与连续模式。

两种波形有各自的有效值电流计算公式


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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:59 | 只看该作者
我只是很久以前推到过赵修科老师书上有自己可以去参考一下

上图是断续模式的计算公式

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 15:59 | 只看该作者
计算次级电流有效值

反激式初级次级工作电流是对应的,初级连续,次级也是连续,初级断续,次级也是断续的,因为初次级共用的是同一个磁芯。

上面是次级电流有效值的计算,断续模式的,并且加入了次级电流连续或者断续的判断,(判断这一步其实没有必要,因为变压器初级连续,次级也连续,初级断续,次级也断续。)

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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 16:00 | 只看该作者
计算线径

电流密度呢,一般都选取6A/mm^2。

一定要注意趋肤效应,最小占空比越小,频率越高,趋肤效应越严重。特别是前级带有PFC的反激式电源。因为考虑到成本,尽量使用600V的Mos管,所以占空比非常小,也就0.15左右,这时候,变压器初级一定要使用多股线,用单根线的话,需要取更小的电流密度。


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wangdezhi|  楼主 | 2015-3-15 16:00 | 只看该作者
对于一定的电流,需要的导线截面积是一定的,在实际选取线径的时候,要结合实际所选的骨架几何尺寸,做合适的组合,尽量不要散绕,对于某一层绕组,单根线太散的话,可以选取两根或者几根细线进行并饶,只要绕组的总截面积在计算值左右就好。

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