反激开关电源开发设计文档.docx
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反激开关电源开发设计文档
反激开关电源开发设计文档
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设计描述(包括产品主要功能、性能、技术指标、主要结构等):
一、项目概述:
实现小休积高效率的小功率输出开关电源
二、项目原则:
实现较小的空载功耗,高效率的输出
反激式转换器的优点有:
1.电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求.
2.转换效率高,损失小.
3.变压器匝数比值较小.
4.输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,可实现交流输入在
85~265V间.无需切换而达到稳定输出的要求.
反激式转换器的缺点有:
1.输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于
150W以下.
2.转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时,有较大的直流分量,易导致磁芯饱和,所以
必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大.
3.变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM/DCM两种模式,故变压器在设计时较困
难反复调整.
CCM
DCM
二、详细设计方案
1、总体构成
根据产品的功能初步把产品包含这几大模块。
反馈
市电电源
实现输入85AVC-250VAC输出6V130MA的电源。
整流电路
对于输出功率小于等于1W的设计,使用半波整流时成本最低;通过在低压返回端增加第二个二极管的方法,可以改善半波整流设计的EMI性能。
同时在做差模雷击测试时,由于电压被两个二极管所分担,使雷击测试的耐压值提高了一倍
逆变部分
•逆变部分原理
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件当初级线圈中通有交流电流时,铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压(或电流)
变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈
1.开关开通,变压器初级电感电流在输入电压的作用下线性上升,储存能量。
2.开关关断,初级电流被关断,由于电感电流不能突变,电感电压反向(为上负下正),变压器初级感应到次级,次级二极管正向偏置导通,给C充电和向负载提供能量!
3.开始下个周期。
以上假设C的容量足够大,在二极管关断期间(开关开通期间)给负载提供能量!
高频变压器部分
•储能能力
反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线,磁芯在交、直流作用下的B.H效果与AIR
GAP大小有密切关联,在交流电流下气隙对ΔBac无改变效果,但对ΔHac将大大增加,这是有利的一面,可有效地减小磁芯的有效磁导率和减少原边绕组的电感.在直流电流下气隙的加入可使CORE承受更加大的直流电流去产生HDC,而BDC却维持不变,因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯饱和,这对能量的储存与传递都是有利的.当反激变压器工作于CCM时,有相当大的直流成份,这时就必须有气隙.外加的伏秒值,匝数和磁芯面积决定了B轴上ΔBac值;直流的平均电流值,匝数和磁路长度决定了H轴上HDC值的位置.ΔBac对应了ΔHac值的范围.可以看出,气隙大ΔHac就大.如此,就必须有足够的磁芯气隙来防止饱和状态并平稳直流成分.
H=I*N/L
变压器磁芯的选择
一、选择磁芯材料
选择磁芯CORE材质应考虑高磁通密度Bs,低损耗和高μi磁导率的材质并结合脉冲变压器的工作频率在此100Khz应选用FerriteCore铁氧体磁芯,以TDK公司的PC40或PC44,在此选择PC44使用较为广泛。
(磁导率)μi=2400
(单位体积磁心损耗)Pvc=300KW/m2在100KHZ,B=0.2T,100℃
(饱合磁通密度)Bs=390mT在H=1194A/m,H=I*N/L
(剩余磁通密度)Br=60mT@100℃
(居里温度)Tc=215℃
高频变压器工作频率和磁芯材料
2、确定△B磁密度工作范围。
为了防止高频变压器出现瞬态磁饱和效应,降低△B来设计。
△B=60%Bm,即△B=0.6*(390-60)=198mT=0.2T
3、选择磁芯尺寸和规格参数
磁芯材料
采用AP法
AP=AW*Ae=(Pt*10^4)/(2ΔB*fs*J*Ku)
AE为磁芯的有效面积,AW磁芯窗口面积
Pt=Po/η+Po传递功率
J:
电流密度A/cm^2(300~500)一般取420
Ku:
绕组系数0.2~0.5导线直径小于0.2mm或多股并绕及绕组数大于3时取0.2
Fs:
开关频率(HZ),AP单位(cm^4)
计算的AP值查表TDK公司的手册确定规格尺寸
4、确定初次级匝数比
n=[VIN(min)/(Vo+Vf)]*[Dmax/(1-Dmax)]
VIN(min):
最小输入直流电压;Dmax最大占空比,此芯片60%
Vo:
输出直流电压
Vf:
二极管正向导通电压
输出加滤波电感也要考虑
计算最大的占空比Dmax=n(Vo+Vf)/[VINmin+n(Vo+Vf)]
利用新的数值计算n计算Dmax,新值不能超过60%否则下调占空比
五、初級峰值電流計算
①工作于临界状态时(IP1=0),工作CCM经验值Ip2=(2-3)Ip1
Ip1对应最低输入电流,Ip2对应最高峰值电流,Iavg=(Ip1+Ip2)Dmax/2
Pout/Η=VINmin*Iavg=VINmin*(Ip1+Ip2)Dmax/2
Ip1+Ip2=2(Pout/Η)/(VINmin*Dmax)
输出功率为Pout
电源效率为Η
Dmax:
占空比
②Ip=2Pout/VIN(min)*Dmax(用于粗估算)
POUT:
输出功率
六、初极电感量
①
Dmax:
最大占空比,fs:
开关频率,Ip:
峰值电流(标准单位)
②在Ton内电流的变化量ΔI=Ip2-Ip1(公式1,2本质一样,此公式考虑CCM连续工作模式,DCM则Ip1=0)
根据(VINmin/LP)*Ton=ΔI
LP=VINmin*Ton/ΔI
ΔI:
峰值电流变化量,Ton:
开启时间
七、确定初级匝数NP
①NP=Lp*Ip/ΔB*Ae(标准公式,所有单位换算成标准单位)
LP就是上边算得初级电感量,IP为初级峰值电流,AE为磁芯的有效面积
②
(Bw磁通,AE单位换算成平方cm,乘10的4次幂)
八、确定次极匝数NS(初/次)
①
(NP初级匝数,n匝数比)
②本质和1公式一样
NS=(Vo+Vd)*(1-D)*NP/VINmin*Dmax
式中Vo为输出电压
Vd为二极管管压降
Dmax为占空比
NP为初级匝数
VINmin为最低输入电压
八、辅助绕组匝数
①(输出没有加虑波电感VL不参于计算)
Vb辅助绕组输出电压,Vbd、Vd二极管压降,Vout次级输出电压
②Va=(Vo+Vf)/Ns单位V/Ts(每匝伏特数Va)Vo次级输出电压
Nvcc=(Vcc+Vf)/VaVcc辅助绕组电压DC,Vf二极管压降
九、气隙长度的计算
Lg单位cm,Lp单位H,Ae单位cm2,Np初级线圈匝数,排=3.14
10、重新计算最大最小占空比,和设计要求一至,有的芯片占空比10%-60%
1、当输入最小电压Vindcmin
2、当输入最高电压Vindcmax
3、重新计算磁通密度
Lp单位uH,Ip初级峰值电流单位A,Np单位N(匝),Ae单位cm2
Bmax1T=10000Gs,GUASS高斯
11、计算集肤深度和导线线径,多根导线并绕线径
1、
25度时公式,在导线100度时7.6
fs单位Hz,
单位cm
2、
Iprms(A)=Po/η/VIN(min)(Iprms有效值)
J电流密度4-5A/mm^2,一般取4,线比较多可取5
线径D大于两倍集肤深度,采用多根线或利兹线,小于两倍集肤深度侧不需要用多根。
3、多根细导线每根线径的计算公式:
例如用两根导线代替一根
注意截面积之和要大于等于单根导线的截面积.
集肤深度与频率关系
十二、估算损耗、温升
1>求出各绕组之线长.
2>求出各绕组之阻抗@100℃
3>求各绕组之损耗功率(电流用有效值)
4>加总各绕组之功率损耗PCu。
5>芯心损耗PFe=PCVe
6>P∑=PCu+PFe
7>而变压器的温升
AP的单位为cm4。
13、估算窗口占用面积( 皮膜厚度0.056mm Wa=N*D^2(单个绕组占用面积) N: 匝数,D线直径包括皮膜(mm)。 Wa: mm^2 由以上的计算公式初步选定磁芯为型号EPC10 现有的模块高频变压器高11MM长13MM宽13MM
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