正激式开关电源的设计.doc

1、17-3 正激式开关电源的设计中山市技师学院 葛中海由于反激式开关电源中的开关变压器起到储能电感的作用，因此反激式开关变压器类似于电感的设计，但需注意防止磁饱和的问题。反激式在20100W的小功率开关电源方面比较有优势，因其电路简单，控制也比较容易。而正激式开关电源中的高频变压器只起到传输能量的作用，其开关变压器可按正常的变压器设计方法，但需考虑磁复位、同步整流等问题。正激式适合50250W之低压、大电流的开关电源。这是二者的重要区别！7.3.1 技术指标正激式开关电源的技术指标见表 7-7 所示。表 7-7 正激式开关电源的技术指标项 目 参 数输入电压 单相交流 220V输入电压变动范围

2、160Vac235Vac输入频率 50Hz输出电压 VO=5.5V20A输出功率 110W7.3.2 工作频率的确定工作频率对电源体积以及特性影响很大，必须很好选择。工作频率高时，开关变压器和输出滤波器可小型化，过渡响应速度快。但主开关元件的热损耗增大、噪声大，而且集成控制器、主开关元件、输出二极管、输出电容及变压器的磁芯、还有电路设计等受到限制。这里基本工作频率 选 200kHz，则0f=5s3012fT式中， 为周期， 为基本工作频率。T0f7.3.3 最大导通时间的确定对于正向激励开关电源， 选为 40%45% 较为适宜。最大导通时间 为DmaxONt= （7-24 ）maxONtTax

3、D是设计电路时的一个重要参数，它对主开关元件、输出二极管的耐压与输出保持时间、maxD2变压器以及和输出滤波器的大小、转换效率等都有很大影响。此处，选 =45%。由式（7-maxD24） ，则有=5s 0.45=2.25smaxONt正向激励开关电源的基本电路结构如图 7-25 所示。 V1TLCI+_oR3F图 7-25 正向激励开关电源的基本电路结构7.3.4 变压器匝比的计算1次级输出电压的计算如图 7-26 所示，次级电压 与电压 + + 的关系可以这样理解：正脉冲电压 与2VOFLV2V包围的矩形“等积变形”为整个周期 的矩形，则矩形的“纵向的高”就是 + + ，ONt TOFL即（

4、7-25 ）ONFLtTV2式中， 是输出二极管的导通压降， 是包含输出扼流圈 的次级绕组接线压降。FVL2由此可见，图 7-26 所示 A 面积等于 B 面积，C 是公共面积，因此，真正加在负载上的输出3电压 更小。OVtNFToBAC2+L01_图 7-26 “等积变形”示意图根据式（7-25） ，次级最低输出电压 为min2V= =14Vmin2VaxONFLtT25.03式中， 取 0.5V（肖特基二极管） ， 取 0.3V。F L2变压器匝比的计算正激式开关电源中的开关变压器只起到传输能量的作用，是真正意义上的变压器，初、次级绕组的匝比 为N= （7-26 ）N2VI根据交流输入电压

5、的变动范围 160V235V ，则 =200V350V ， =200V，所以有I inVIm= = 14.3min2I140把式（7-25） 、 （7-25）整合，则变压器的匝比 为N= （7-27 ）FLOinVDaxI7.3.5 变压器次级输出电压的计算变压器初级的匝数 与最大工作磁通密度 （高斯）之间的关系为1NmB（7-28 ）1StONinaxI 4104式中， 为磁芯的有效截面积（mm 2） ， 为最大工作磁通密度。SmB输出功率与磁芯的尺寸之间关系，见表 2-3 所示。根据表 2-3 粗略计算变压器有关参数，磁芯选 EI-28，其有效截面积 约为 85mm2，磁芯材料相当于 TD

6、K 的 H7C4，最大工作磁通密S度 可由图 7-27 查出。mB图 7-27 H7C4 材料磁芯的 B-H 特性实际使用时，磁芯温度约为 100，需要确保 为线性范围，因此 在 3000 高斯以下。mBmB但正向激励开关电源是单向励磁，设计时需要减小剩磁（磁复位）剩磁随磁芯温度以及工作频率而改变。此处，工作频率为 200kHz，则剩磁约减为 1000 高斯，即磁通密度的线性变化范围 为 2000 高斯。mB根据式（7-28） ，得= 26.5 匝，取整数 27 匝。1N44maxI 10852.10 StVONin因此，变压器次级的匝数 为2= / = =27/14.3=1.9 匝，取整数

7、2 匝。11当 = / =27/2=13.5。根据式（7-27） ，计算最大占空比 为N12 maxD= = 42.5%maxDinLFOVNIm205.13.5.也就是说，选定变压器初、次级绕组分别为 27 和 2 匝，为了满足最低输入电压时还能保证输出电压正常，开关电源的最大占空比 约为 42.5%，开关管的最大导通时间 约为axDmaxONt52.1s。下面有关参数的计算以校正后的 （=42.5%）和 （=2.1s） 。同时，由式（7-maxDmaxONt26）计算的输出最低电压 约为 14.8V。min2V7.3.6 变压器次级输出电压的计算1计算扼流圈的电感量流经输出扼流圈的电流 如

8、图 7-28 所示，则 为LILI= （7-29 ）maxmin2ONFtV式中， 为输出扼流圈的电感（H） 。LT出0A图 7-28 扼流圈中的电流波形这里选 为输出电流 （=20A）的 10%30%，从扼流圈的外形尺寸、成本、过程响应LIOI等方面考虑，此值比较适宜。因此，按 为 的 20%进行计算。LIO= 0.2=20 0.2=4A由式（7-29） ，求得= 4.6HLI1.245.081如此，采用电感量为 4.6H，流过平均电流为 20A 的扼流圈。若把变压器次级的输出电压与电流波形合并在一起，如图 7-29 所示。在 期间， 为幅ONt2V度 14.8V 的正脉冲，VD 1 导通期

9、间扼流圈电流线性上升，电感励磁、磁通量增大；在 期间，Ft为幅度 的负脉冲（具体分析见下文） ，VD 1 截止、 VD2 导通，扼流圈电流线性下降，2VN/1电感消磁，磁通量减小。输出给负载的平均电流 为 20A。稳态时，扼流圈的磁通增大量等于OI6减小量。 Vo2+LF01_NtOT,AId图 7-29 次级的电压与电流波形2计算输出电容的电容量输出电容大小主要由输出纹波电压抑制为几 mV 而确定。输出纹波电压 由 以及输rIL出电容的等效串联电阻 ESR1确定，但输出纹波一般为输出电压的 0.3%0.5%。= = =1525mV （7-30 ）rI05.3OV105.3又= ESR （7-

10、31 ）rIL由式（7-31） ，求得ESR= = =3.756.25mLrI4251即工作频率为 200kHz 时，需要选用 ESR 值 6.25m以下的电容。适用于高频可查电容技术资料，例如，用 8200F/10V的电容，其 ESR 值为 31m，可选 6 个这样的电容并联。另外，需要注意低温时 ESR 值变大。流经电容的纹波电流 为rmsCI2= = 1.16A （7-32 ）rs23LI24因此，每一个电容的纹波电流约为 0.2A，因为这里有 6 个电容并联。此外，选用电容时还1 ESR，是 Equivalent Series Resistance 三个单词的缩写，翻译过来就是“等效串

11、联电阻”。ESR 的出现导致电容的行为背离了原始的定义。ESR 是等效“ 串联”电阻，意味着将两个电容串联会增大这个数值，而并联则会减少之。7要考虑到负载的变化、电流变化范围、电流上升下降时间、输出扼流圈的电感量，使电压稳定的环路的增益等，它们可能使电容特性改变。7.3.7 恢复电路设计1计算恢复绕组的匝数恢复电路如图 7-30 所示。VT 1 导通期间变压器 T1 的磁通量增大， T1 蓄积能量；VT 1 截止期间释放蓄积的能量，磁通返回到剩磁。 VN23D4Ids+_CR图 7-30 恢复电路（VT 1 截止时）电路中 T1 上绕有恢复绕组 ，因此 VT1 截止期间，原来蓄积在变压器中的能

12、量通过 VD43N反馈到输入侧（ 暂存） 。由于 VT1 截止期间，恢复绕组 两端的自感电压限制为输入电压IC3N的数值，惟其如此，VD 4 才能把存储在 中的磁场能转化为电场能反馈到输入侧。这时变IV3压器初级感应电压为= （7-33 ）1V3NI式中， 是 的感应电压，极性为上负下正； 是 的自感电压，极性也是上负下正1VNI3（等于电源电压） 。若主开关元件的耐压为 800V，使用率为 85%，即 800 0.85=680V。axVIm1680-350=330V1V由式（7-33） ，求得8= 28.6 匝，取整数 29 匝。3N1ImVax305272计算 RCD 吸收电路的电阻与电容

13、VT1 导通期间储存在 T1 中的能量为= （7-34 ）1E2LtVONI式中， 为变压器初级的电感量。1LVT1 截止期间，初级感应电压使 VD3 导通，磁场能转化为电场能，在 上以热量形式消耗1R掉。 中消耗的热量为R= （7-35 ）2E1RTV因为 = ，联立式（7-34） 、 （7-35） ，整理得1E2= （7-36 ）1VONItTL2因为输入电压最高 时开关管导通时间 最短，把上式中的 换成 ， 换axImmint IVaxImONt成 ，加在 VT1 上的最大峰值电压 为minONt dsp= + = （7-37 ）dspVaxIm1axVImin12ONtTLR由此，求得

14、 为1R= （7-38 ）1R2min1Im2ONaxdsptV又，当输入电压 时， 为axVIminONt= =2.1 1.2sintmaxtxinI35029式（7-38）中，初级的电感量 是未知数，下面求解。1LAl-Value 值由磁芯的产品目录提供。EI（E）-28，H7C4 的 A1-Value 值为 5950，则A1-Value= （7-39 ）21/N由式（7-39） ，求得 为1L=5950 =5950 4.3mH21902790由式（7-38） ，求得 为1R= 28.2k1263210.54135068式中，加在 VT1 上的最大峰值电压 取 680V。dspV时间常数

15、比周期 要大的多，一般取 10 倍左右，则CRT=10 =10 1773pF11R36102.853计算主绕组感应电压当 =350V，根据式（7-33） ，得axVIm= 325V1V293507对于正激式开关电源来说，主开关元件 导通时变压器励磁，在 即将结束时初级绕组的励磁ONt电流 为 。开关断开 时， 变压器需要消磁，恢复二极管 VD3和绕组 就是为此而设，1I1/LtVONI 3励磁能量通过它们反馈到输入侧。若 绕组 中蓄积的能量全部 转移到绕组 中，开关断开瞬 间1N“安匝相等”原理仍然成立， 则绕组 的励磁电流 为33I13I阅读资料10把 = 代入上式，得1I1/LtVON=3

16、I1NONItLV又，绕组 的励磁电感与绕组 的励磁电感的关系为31123恢复二极管 VD3变为导通状态，变压器以输入电压 进行消磁。为消除 = 的IV1I1/LtVON励磁电流 ，必要的时间类似 = ，即1I1I1/LtVONretIV3把上式 、 分别用前两式代入上式，整理得3LI=ret123LN3ONIt1IVONt13为防止变压器磁饱和，必须在开关断开期 间变压器完全消磁，则=retFTD即 ONt13因此，正激变换器的电压变比限制 为 31D比如，本例中 =27， =29，则 0.482 （=0.425） 。1N3 29731NmaxD7.3.8 MOSFET 的选用1MOSFET

17、 的电压峰值根据式（7-38） ，计算 VT1 上的电压峰值 为dspV11=350 690VdspV 663102.510.4281实际上，MOSFET 的漏- 源极之间的还叠加有几十伏的浪涌电压，波形如图 7-31 所示。TtImax()出ONF图 7-31 加在主开关元件上的电压 波形 图 7-32 主开关元件上的电压与电流波形dsV2MOSFET 的电流及功耗根据变压器安匝相等原理，MOSFET 的漏极电流平均值 为dsI= =20 1.48AdsI12NO7根据电感电流的变化量为 20%，确定 的前峰值 和后峰值 分别为dsI1dsI2dsI= 0.9=1.48 0.91.33A =

18、 1.1=1.48 1.11.63A1dsI2s式中， 、 分别是开关管导通期间前、后沿峰值电流，与电流平均值 有 10%的差值。s2 dsIVT1 的电压和电流波形如图 7-32 所示，VT 1 的总功耗 为1QP=QP 322)(1Im36 tIVtIVtVT dspdssatddsin （7-40 ）式中， 是 MOSFET 导通电压，一般为在 2V 以下。)(satd12采用功率 MOSFET 计算功耗时应注意：（1）PN 结温度 越高，导通电阻 越大， 超过 100时， 一般为产品手册中给jTdsRjTdsR出值的 1.52 倍。（2）功率 MOSFET 功耗中，由于 占的比例比较高

19、，必要时加宽 进行计算。即在ds ONt时，采用 条件，或者 时，采用 条件进行计算。另外，在 期间，由于axVImminONtinVImmaxONt F功率 MOSFET 的漏极电流极小，其功耗可忽略不计。因为 =2.1s， 采用 MOSFET 产品手册中给出的上升时间， 采用下降时间。这里，axt1t 3t取 =0.1s， =0.1s，则13=2.1-0.1-0.1=1.9s2t由式（7-40） ，求得 为1QP= 5.3W1Q 1.063729.163.7.13.0256 式中， 取 1.7V。)(satdV结温 控制在 120，环境温度最高为 50时，需要的散热器的热阻 为jT faR

20、= = 12.2/WfaR11maxQjcjPRT3.5.012（7-41 ）由此，需要 12.2/W 的散热器，这时，由冷却方式是采用自然风冷还是风扇强迫风冷来决定散热器的大小。散热器大小与温升一例如图 7-33 所示。图 7-33 功耗与温升的关系137.3.9 恢复二极管的选用恢复二极管选用高压快速二极管，特别注意反向恢复时间要短。1VD 3 的反向耐压在 期间 VD3 反偏，正极相当于接地，加在 VD3 上的反向电压等于电源电压。当输入电ONt压最大时，VD 3 反偏电压 =350V。3rdV2VD 4 的反向耐压在 期间 VD4 反偏，加在 VD4 上的反向电压 为电源电压与恢复绕组

21、感应电压的叠加，ONt 4rdV当输入电压最高时，VD 4 反偏电压 为rd= =350 726V （7-42 ）4rdVaxIm13N2797.3.10 输出二极管的选用输出二极管选用低压大电流 SBD，特别注意反向恢复时间要短。这是因为 MOSFET 通断时，由于二极管反向电流影响初级侧的开关特性，功耗增大的缘故。1整流二极管 VD1 的反向耐压在 期间，由于输出滤波电感反激，续流二极管 VD2 导通，主绕组 感应电压OFt 1N=330V；次级 电压加在整流二极管 VD1 的两端，因此， VD1 的反向电压 为1V2N rdV= =325 24V （7-43 ）1rdV12N7实际上，开

22、关管截止时有几十伏的浪涌电压叠加在这电压上。2续流二极管 VD2 的反向耐压在 期间 VD1 导通，加在续流二极管 VD2 上的反向电压 与变压器次级绕组电压的最ONt 2rdV大值 相同，即max2V= =350 26V （7-44 ）max2VI12N7实际上，开关管导通时有几 V 浪涌电压叠加在这电压上。加在 VD1、VD 2 导通上的电压波形如图 7-34 所示。14tONFT0Vrd1出2（a）整流二极管 VD1 两端的电压波形 （b）续流二极管 VD1 两端的电压波形图 7-34 输出二极管电压波形整流二极管 VD1 的功耗 为1dP= （7-45 ）d tdIVTtIVTtI r

23、trdrOFrdONF 011 )(续流二极管 VD2 的功耗 为2d= （7-46 ）dP tItItI rtrdrONrdOFF 022 )(式中， 为反向电流， 为反向恢复时间，均采用产品手册上给出的数值。有功耗时，输rIrt出二极管的电压和电流波形如图 7-35 所示。（a）整流二极管 VD1 两端的电压波形 （b）续流二极管 VD1 两端的电压波形7.3.11 变压器参数的计算MOSFET 的漏极电流平均值 为就是变压器初级电流的平均值，因此 为dsI 1I15=1.48A1I正激式开关电源初、次级的电流同相，且均为梯形波。根据前述梯形波电流的有效值的公式=rmsI123KDP式中，

24、 是梯形波电流的前峰值 与后峰值 的比值，即 = / 。KB1I1BI1P本电路 就是 ， 就是 ，则1dsIB2dsIP= / =0.9 /1.1 0.82K1dsI21I初级电流的有效值 为rmsI1= =1.1 1.48 0.96ArmsI123.Dds28.0.1342.0或用简单公式= =1.48 0.96ArmsI1d.次级电流的有效值 为rs2= =0.96 12.95ArmsI212N7恢复绕组电流的有效值 为rs3= =0.96 0.89ArmsI313297自然风冷时电流密度 选为 24（A/mm 2） ，强迫风冷时选为 35（A/mm 2）较适宜。dJ根据电流的有效值，变

25、压器初级绕组使用的铜线 0.6，电流密度为 3.4（A/mm 2） ，次级绕组使用的铜线 0.3 9，电流密度为 4.8（A/mm 2） ，恢复绕组的铜线 0.6，电流密度为 3.15（A/mm 2） 。7.3.12 输出扼流圈的计算输出扼流圈用磁芯有 EI（EE）磁芯、环形磁芯、鼓形磁芯等。设计时注意事项与变压器一样，磁通不能饱和，温升应在允许范围内。使用的磁芯也与变压器一样，采用 EI-28，电感量在164.6H以上。因为流经线圈中的电流为 20A，所以，使用 0.5mm 9mm 的铜条，电流密度为4.44A/mm 295.02采用上述铜条可以计算出最多只能绕 6 匝。H7C4 材料磁芯的

26、间隙与 A1-Value 之间的关系如图 7-37 所示。由式（7-39） ，需要的 A1-Value 值为A1-Value= = 1272/NL2610.49查看图 7-37 所示曲线 A1-Value 值，可得间隙为 1.4mm。最大磁通密度 为mB= （A1-Value ） 10= 127 101793 高斯mBSINO8506磁芯的最大磁通密度与变压器一样，需要在 3000 高斯以下。图 7-37 间隙与 A1-Value 之间的关系正激式开关电源设计参数一览见表 7-8。表 7-8 正激式开关电源设计参数一览项 目 参 数工作频率 f 200kHzDmin UImax=155V TO

27、Nmin=1.35s D=27.0%占空比 Dmax UImin=100V TONmax=2.09s D=41.8%输出功率 PO 100W匝数 N1 电感量 电流平均值 Ids 电流有效值 I1rms 绕组结构 电流密度初级27 匝 4.3mH 1.48A 0.96A 0.6 3.4A/mm2匝数 电感量 电流平均值 IO 电流有效值 I2rms 绕组结构 电流密度次级绕组2 匝 20 12.95A 0.3 94.8A/mm2变压器恢复绕组 匝数 电感量 电流平均值 电流有效值 绕组结构 电流密度1729 匝 1.38A 0.89A 0.6 3.15A/mm2型号 有效截面积 S 剩磁通密度 Bm 最大磁通密度 Bm磁芯EI-28 85mm2 1000 高斯 3000 高斯漏-源极最高电压 Udsp 功率损耗 PQ1 热阻 Rfa开关管400V 7.3W 12.2/W匝数 导线 电感量 电流 电流密度 磁通密度 Bm输出滤波电感6 匝 0.5mm 9mm4.6H 20A 4.4A/mm2 1793反向电压 Vrd1整流二极管 VD1 24V最大反向电压 Vrd2续流二极管 VD2 26V最大反向电压 Vrd3恢复二极管 VD3 350V最大反向电压 Vrd4恢复二极管 VD4 726V