1、一 开关电源的概念 电力电子电路基本类型有如下几种 AC DC整流AC AC交流电力控制 变频 变相DC AC逆变DC DC直流斩波开关电源电路是DC DC变化电路 开关电源的基本工作原理是 用一个半导体功率器件作为开关 该器件不断地重复开启和关断 使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波 该方波经过电感 电容等组成的滤波器滤波之后便得到了另一个直流电压 在一个开关周期内 开关管导通的时间占整个周期的比例称为导通占空比D 很明显 当开关周期不变时 导通占空比越大 负载上获得的直流电压越大 这就是PWM在开关电源中的应用 顾名思义 开关电源中的电力电子器件工作在开关状态 这是相对于线性稳
2、压电源来说的 线性稳压电源中的开关管工作在线性放大状态 所以 我们先来回顾一下线性稳压电源的工作原理 开关电源需要具备的三个条件 1 开关 电力电子器件工作在开关状态 2 高频 器件工作在高频 如50KHZ 而非工频状态 3 直流 电源输出直流 DC DC变化 二 开关电源拓扑 电气非隔离型 Buck电路 Boost电路 升降压 Cuk Sepic Zeta电气隔离型 单端变换 正激 反激 双端变换 半桥 全桥 推挽 非隔离电路比隔离电路结构简单 成本低 但是多数场合我们希望输入与输出隔离 所以隔离电路应用广泛 首先 我们来简单回顾一下降压电路 正激电路 电感电流连续时 一个开关周期经历两个状
3、态状态1 开关闭合 初级绕组接电源Vin 同时次级绕组把能量传递到输出端 初级 次级电流流向 状态2 开关打开 当s关断时 续流二极管D2和储能元件k构成放电回路 继续对负载R供电 复位电流 次级电流流向 正激电路可以等效为输入电压经过绕组变化的Buck电路 正激电路中存在磁芯复位的问题 即开关管关断后到下一次开通时 必须设法使励磁电流降为0否则在下一个周期时 励磁电流将在本周期结束时的剩余值上继续增加 并在以后的开关周期中逐步积累起来 越来越大 从而导致励磁电感饱和 这里我们用复位绕组W3和二极管D3组成复位电路 工作原理如下 开关关断后 励磁电流D3 W3 电源 线性下降为0 所以管子关段
4、时间应大于复位时间 半桥电路 三 软磁材料 1 饱和磁感应强度Bm 是在指定温度 25 或100 下 用足够大的磁场强度磁化磁性物质时 磁化曲线达到接近水平时 不再随外磁场增大而明显增大 对于高磁导率的软磁材料 在 r 100处 对应的B值 2 剩余磁感应强度Br 铁磁物质磁化到饱和后 又将磁场强度下降到零时 铁磁物质中残留的磁感应强度 即为Br 称为剩余磁感应强度 简称剩磁 3 矫顽力Hc 铁磁物质磁化到饱和后 由于磁滞现象 要使磁介质中B为零 需有一定的反向磁场强度 H 此磁场强度称为矫顽磁力Hc 如果磁滞回线很宽 即Hc很高 需要很大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和 同时需要很大的反向磁
5、场强度才能将材料中磁感应强度下降到零 也就是说这类材料磁化困难 去磁也困难 我们称这类材料为硬磁材料 另一类材料磁滞回线很窄在较弱外磁场作用下 磁感应强度达到很高的数值 同时很低的矫顽磁力 即既容易磁化 又很容易退磁 我们称这类材料为软磁材料 开关电源主要应用软磁材料 对软磁材料的要求为 1 磁导率要高 2 要求具有很小的矫顽力Hc和狭窄的磁滞回线 3 电阻率 要高 4 具有较高的饱和磁感应强度Bm 软磁铁氧体又是开关电源中主要应用的软磁材料 在开关电源中 应用得最多的材料是软磁铁氧体 主要有两类 MnZn铁氧体和NiZn铁氧体 镍锌 NiZn 铁氧体具有更高的电阻率 因此它适合工作在1MHz
6、以上的场合 而锰锌 MnZn 铁氧体电阻率较低 通常工作在1MHz以下 铁氧体的结构形式很多 开关电源中应用较多的是EE EI U 环形 设计变压器铁芯和电感铁芯的时候 主要关注以下参数 AeAwApleVeALAe为铁芯截面积Aw为铁芯窗口面积Ap Ae Aw 这是选择铁芯是的重要参数 是选择铁芯型号的主要依据 在设计变压器和电感时 常用的方法就是Ap法 即截面积和窗口面积乘积法 下面在讲设计方法时会讲解 le为有效磁路长度 Ve为有效体积AL电感系数它表示磁芯具有1匝 或规定整数匝 例如1000匝 线圈时的电感量 如果线圈为N匝 电感量为L N2AL 以形状较复杂的EE和EI为例讲解Aw的
7、概念 EE型铁心的窗口面Aw EI型铁心窗口面积Aw 四 设计部分 正激 推挽 半桥和全桥电路的主电路参数设计 A 变压器的设计 1 电压比kT 电压比计算的原则是电路在最大占空比和最低输入电压的情况下 输出电压能达到要求的上限 U为电路中电压降 一般取为2V Dmax为最大占空比 一般取0 9 经验值 2 铁心的选取 式中 Ae为铁心截面积 Aw为铁心窗口面积 PT为变压器的传输功率 fs为开关频率 B为铁心所允许的最大磁通密度变化范围 这就是我们所说的Ap法 截面窗口面积乘积法 根据厂家提供的数据手册 选择Ap大于上述值的铁心 就可以找到对应的Ae和Aw 3 绕组匝数 根据电压比可以从二次
8、 一次 的匝数推算出一次 二次 的匝数 通常先计算二次绕组的匝数 Sv为这一绕组承受的最大伏秒面积 对于正激型电路 对于半桥 全桥 推挽等电路 B为为铁心材料所允许的最大磁通密度变化范围 单端 双端 4 绕组导体截面 根据流过每个绕组的电流值和预先选定的电流密度 可以计算出导体截面积 B 输出滤波电路设计 输出滤波电路的作用是滤除二次侧整流输出电路的脉动直流中的交流部分 得到平滑的直流输出 通常采用一级LC滤波电路 1 滤波电感首先确定电感值 对于正激电路对于半桥 全桥 推挽电路为电感电流纹波最大峰峰值 一般取 计算出电感值后可以确定电感铁心 也是用Ap法 式中 L为计算出的电感值 Imax为
9、电感电流的最大有效值 Ipmax为电感电流最大峰值 Bmax为磁路磁通最大值 kc为绕组在铁心中的填充因数 dc为电感电流密度 一般 最后确定 绕组匝数导体截面积气隙长度 2 滤波电容 Ip为电感电流最大纹波峰峰值 可取20 Io UO为输出电压纹波电压峰峰值 一般指标会给出 C 开关器件的设计 开关管 流过开关器件的峰值电流为最大平均电流 正激电路半桥 全桥 推挽反向击穿电压Ubr 一个管子导通后对于另一个管子的影响 半桥电路中的一个开关管导通后 另一个管子承受的电压为Ui D 其他问题设计 防止磁通不平衡的阻断电容的选择在半桥电路中 若两个虚假电容中点处的电压不能精确得到电源电压的一半 则
10、Q1导通时初级承受电压将于Q2导通时不一样 磁通将会沿磁滞回线正向或反向持续增加 直至铁心饱和 损坏开关管 存在磁通不平衡的主要原因是初级存在直流分量 所以要接直流阻断电容 由于要对电容充电 所以变压器的初级脉冲电压的平顶将有所下降 图中dV为初级电压允许的压降 一般为10 初级电压 式中 Po为输出功率 Ui为输入直流电压 T为开关管周期 dV为初级电压有效值的10 半桥中初级电压有效值为1 2Ui 控制电路设计 PWM产生电路 TL494是一种性能优良的电压驱动型脉宽调制器 被广泛应用于开关电源中 是开关电源的核心控制器件 芯片详情自己查阅 UC3843 SG3525等都是可以产生PWM信号的芯片 使用TL494的注意点 1 TL494为开漏输出 接上拉电阻 2 死区控制脚为高电平的时候可以切断脉冲输出 使用这一性能 可以实现系统的软启动 3 可以单端输出 也可以双端输出
