1、利用正激有源钳位技术设计DC-DC电源黄军辉2008.10.10目的:1、给刚入电源行业的朋友提供一种设计思路和方法2、为COST DOWN提供一种依据3、给调试提供一种指导说明：1、只作为一种初步估算方法2、估算时，采用的是较理想方法3、估算方法不是唯一参考文献：1、开关电源原理与设计2、TI的设计文献备注：计算过程中，有不对的地方，希望各位同行和老师不吝赐教！有源钳位的两种方式：方式1方式21C32DSGQ3143DSGQ41431 C35R45R47D712Dr2Dr1T11234P1P2S1S2R46D SGQ314 31C32DSGQ3143Dr2R45R47Dr1T11234P1P
2、2S1S2方式1的工作原理，我在上次交流会上已经讲过，这次我们只对方式2工作原理进行简单地讲一下步骤1：T0-T1：变压器传递能量步骤2：T1-T2：谐振步骤3：T2-T3：磁芯复位过程步骤4：T3-T4：谐振过程设计一款DC/DC电源1、输入48V，范围36-72V2、输出3.3V/30A，功率100W3、输出纹波小于33MV4、典型效率大于90%5、尺寸：半砖第一步：首先选择拓朴结构考虑因素：尺寸，效率、功率1、根据功率大小我们需要选择正激式电路2、根据尺寸我们需要把频率设到300K3、根据效率我们要求采用同步整流和有源钳位电路所以我们选定正激有源钳位+自驱同步整流电路第二步:确定占空比和
3、工作频率选择占空比时,主要需要考虑变压器的磁复位方式,一般正激式电路有RCD复位、绕组复位、谐振复位和有源钳位，1：1的绕组复位占空比小于0.5,RCD和谐振复位可以超过0.5,但也不宜超的太多.而有源钳位一般到0.7都问题不大,一般设在0.6左右比较合适.上面的有些数据,属于经验值这次我们需要设计的电源,在低端36V输入的时候,最大占空比定在0.6左右但一般欠压保护会设到33V左右,考虑一些线路压降,准确地定义应该是在33V输入时,占空比定为0.6(Dmax)我们再反推72V输入时，占空比在0.3左右(Dmin)工作频率选择：半砖尺寸，相对尺寸较小，一般把频率设在300K左右第二步:确定输出
4、续流电感输出电路,就是一个BUCK电路,我们可以按BUCK电路要计算所有参数首先确认电感的纹波电流，需综合考虑纹波电流和动态。一般在选择时，电感的纹波电流设定在10%30%Io.根据法拉定律计算电感量在公式中,VIN取最大值,即最小占空比,电感纹波电流取15%,把公式变换一下:第二步:确定续流电感电感量L=(3.3V/(0.15*30A*300K)*(1-0.3)=1.7uH对于模块电源,输出电感尽量选标准品,用平板变压器绕制,非线绕电感.现选择PULSE电感,标准是2UH,带副边绕组重新反算电感的纹波电流和电感的RMS值电流I=(Vo/(L*f)*(1-Dmin) =(3.3/(2*0.3)
5、*(1-0.3) =3.85A12.8%的纹波电流再计算一下电感的有效值电流I(RMS)=30.1A,该值跟电感的饱和电流应该留有一定的裕量确定了电感量和电感电流后,我们就可以从DATASHEET上找到合适的电感了,从资料上我们可以找到其它参数,如匝数,损耗计算等,该电感的匝数为1匝如果我们选择电感的辅助绕组进行为IC供电,这时,我们就要计算电感的辅助绕组了.假如说,我们IC的供电范围是8-15V.我们取12V左右,保证电感续流时辅助绕组为整流,即保证同名端,即有:N=(Vcc+Vd)/Vo=(12+0.7)/3.3=3.85,取整数匝为4匝,反推VCC电压为12.5V,符合要求,这时电感变成
6、了1:4匝比的电感了.同样,有标准供选择第三步:计算VCC供电电容大小计算一下,最小电容为10nF一般在实际用时,此电容会选大于计算值,是因为考虑温度,实际情况而定的,一般经验值会在10UF22UF之间,第四步:确定输出电容回到之前BUCK电路的计算输出电容由两个因素确定,输出纹波值和动态响应要求可以从如下公式计算确定了电容的ESR值和容值,下一步就是选择电容了.基于尺寸考虑,我们要选择贴片,小型,低ESR的电容,同时需要它的容量也高,所以我们选择POSCAP类型电容,SANYO的6.3V/330UF的电容,ESR是10mR,纹波电流为4.4A,我们选用两个符合我们的要求,考虑到输出有一些噪声
7、,我们可以加一些MLCC电容进行滤波,经验组合为10UF+0.1UF第五步:选择同步整流管现在我们选择的自驱同步整流形式，Vgs驱动电压就是变压器次级电压，一般低压MOS，5VVgs20V,所以在确定变压器匝比时,这个也要考虑进行,这也是为什么超宽范围输入时,自驱动形式不太适合用的问题.首先我们计算次级电压最小值,根据输出电感的伏秒值平衡,可以推出Vo=Dmax*Vsmin现在我们要考虑MOS的上升、下降及延时时间，那么在计算Vsmin时，公式就得变换一下：对于我们现在，MOS还没有选定，对于MOS的上升、下降及延迟时间，都没有办法得到，所以我们可以根据一个经验值，这三个时间的总和约为总周期的
8、3%，按公式计算一下VSmin次级电压已经算出来了，实际变压器匝比就可以算出来了匝比确定后,我们的反推同步整流MOS的VGS压降,整流MOS跟输入电压和匝比成正比,反推一下,在6-12V之间,符合要求,续流管的VGS跟嵌位电压和匝比成正比.反推一下,在8-5V之间,符合要求.计算出MOS的VGS电压后,再回忆一下自驱同步整流的原理图,整流管的VGS就是续流管的VDS,续流管的VGS就是整流管的VDS,这样,我们就确认了MOS的VDS电压了下一步我们要计算MOS所需的电流了在计算电感时,我们已经知道电感的纹波电流是4.2A左右,所以,流过电感的峰值电流为:流过整流MOS的有效值电流为:流过续流M
9、OS的有效值电流为:确定MOS的电压电流后,我们在选择是,要选择高温下也能符合要求的MOS,并且再留点裕量,一般大家习惯选择并联MOS方法达到要求并降低功耗,目的是要低RDS(on),Qg也要尽量低,我们先按以上方法选择MOS.选择了一个30V,55A的MOS,它的RDS(on)是0.0025R,Qg=80nc,它是POWER-PAK封装,热阻系数是60度/W,结温Tj=150度我们想设计成尽量不用散热器散热,所有我们的控制各个功率器件的功耗现在我们就要计算一下,单个MOS的情况下,整流管和续流管的损耗各个多少,从而来决定因为选择多少MOS并联整流管损耗计算:计算原则:最严酷工作条件:最小输入
10、,最大占空比,最大输出电流,有些不太好确定的参数就略等于.先大概确定MOS的GATE电阻,此时GATE电阻包括了加在MOS栅极的电阻和变压器次级绕组的直流电阻,此设计是为3R,整流管ZVS关断(ZVS关断后面有讲)开通延迟时间:开通损耗:就算我们设计的非常好,整流管确实实现了ZVS,但做为体二极管来说,关断还是有损耗的开通损耗:总体损耗:根据上面我们计算的单个MOS最大允许功耗,我们可以计算,做为整流管,需要MOS的个数:当然,采用MOS并联后,Rds(on)是减少了,但Qg有增加,增个功耗可能会增加,这时就要求我们再倒回去算,简单方法是再加大一些MOS的散热PAD计算续流管时,我们也要按严酷
11、方法去计算,最高输入,最小占空比,最大电流时计算,续流管在开关时,实现了ZVS,所以开关损耗不计,但要计算体二极管的损耗.计算方法同整流管,当然,假如说,我们设计的不好,两个MOS都没有实现ZVS,此时我们就把开关损耗算进去就可以了.第六步:变压器设计这次因为时间关系,对于变压器和电感,只是简单介绍一下,计算出一些关键参数从而选择标准品,对于设计一个全新变压器,不是我们这次分享的内容,下次有机会再分享.如上图所示,为标准品匝比之前我们已经确认了,需要6:1,该产品已经说明了,能做到140W功率,所以我们也没必要计算需要多大的磁芯,但必须设计初给级多少匝.保证一个正常范围内的B是变压器正常工作的
12、一个基本条件由变压器厂家提供的资料:一般我们在设计变压器时,B设计在0.2左右,代入上面公司,取整可得Np=6匝这样就选定变压器了,再估算一下变压器损耗再计算一下初级绕组的峰值电流和有效值电流再根据厂家提供的次初绕组的直流电阻,计算一下直流损耗变压器总损耗估算:再估算一下环境温度为40度时的温度(热阻厂家有给出)第七步:有源钳位电路首先确认关键点电压计算时我们先忽略漏感的影响,那么,根据变压器的伏秒值平衡简化一下:这个公式一看,其实就是BOOST电路的升压公式,所以这种LOW-SIDE钳位模式也可以理解成升压钳位模式主MOS的VDS压降:Vds=VCL复位电压: 换算一下再反推:代入再推算通过上面这个公式,我们可以得到两者之前的曲线，是一种抛物线关系下一步,我们就要计算钳位电容的大小:以下原则:电容大,VDS上的纹波会小,相当电压应力就小,但影响动态变差电容小,VDS上的纹波会大,相对电压应力就大,但动态较好我们计算或调试时,中和一下就可以.我们对他进行估算一下变换一下根据公式,我们计算一下钳位电容大小可以看出,跟我们经验取值还是有些偏差的,一般我的经验值都在100nF220nF左右,所以,这个电容的大小是可以调节的了,调节的范围还是比较高的,但最终是要满足主MOS的电压应力和综合动态等因素了
