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  • 【我是工程師】一步一步精通單端反激式開關電源設計(計算公式追根溯源,設計原理深入分析、設計過程詳細講解)

【我是工程師】一步一步精通單端反激式開關電源設計(計算公式追根溯源,設計原理深入分析、設計過程詳細講解)

從事電源產(chǎn)品設計的歷程,感觸頗深,借著這篇文章主要想總結一下這些年來自己在單端反激式開關電源設計方面的一些經(jīng)驗和技巧,期間走了太多的彎路,也吸取了很多的教訓,當然也仍然有很多的不解,由于主題涉及的知識面比較廣,內(nèi)容篇幅也比較多,先來個框架,我們大家一起來一步一步學習反激式開關電源的設計,歡迎大家猛烈拍磚,如有紕漏還請大神們指正~ 

★ 一步一步精通單端反激式開關電源設計計算工具V1.8 (持續(xù)優(yōu)化中)★★★★★★★(391樓)

■步驟1_確定應用需求(2樓)

           _實例(139樓)

■步驟2_根據(jù)應用需求選擇反饋電路和偏置電壓(5樓)

           _實例(140樓)

■步驟3_確定最小和最大直流輸入電壓VMINVMAX,并基于輸入電壓和PO選擇輸入存儲電容CIN的容量(6樓) 

       3.1、選擇輸入存儲電容CIN的容量

       3.2、確定最小和最大直流輸入電壓VMINVMAX.

           _實例(141樓)

■步驟4_輸入整流橋的選擇(8樓)

           _實例(145樓)

■步驟5_確定反射的輸出電壓VOR以及鉗位穩(wěn)壓管電壓VCLO(9樓)

           _實例(150樓)

■步驟6_對應相應的工作模式及電流波形設定電流波形參數(shù)KP:當KP1時,KP=KRP;KP1時,KP=KDP(15樓)

           _實例(151樓  

■步驟7_根據(jù)VMINVOR確定DMAX(16樓)

           _實例(152樓

■步驟8_算初級峰值電流IP、輸入平均電流IAVG和初級RMS電流IRMS(17樓)

           _實例(153樓)

■步驟9_基于AC輸入電壓,VO、PO以及效率選定MOS管芯片(18樓)

           _實例(154樓)

■步驟10_設定外部限流點降低的ILIMIT降低因數(shù)KI(19樓)

           _實例(155樓

■步驟11_通過IPILIMIT的比較驗證MOS芯片選擇的正確性(20樓)

           _實例(156樓)

■步驟12_計算功率開關管熱阻選擇散熱片驗證MOS芯片選擇的正確性(21樓)

           _實例(157樓

■步驟13_計算初級電感量LP(22樓)

           _實例(158樓

■步驟14_選擇磁芯和骨架,再從磁芯和骨架的數(shù)據(jù)手冊中得到Aele,AL,和BW的參考值(28樓)

           _實例(159樓)

■步驟15_根據(jù)初級電感量大小以及磁芯參數(shù)計算初級繞組圈數(shù)NP(31樓)

           _實例(162樓)

■步驟16_計算次級繞組圈數(shù)NS以及偏置繞組圈數(shù)NB(32樓)

           _實例(163樓

■步驟17_確定初級繞組線徑參數(shù)OD、DIA、AWG(33樓)

           _實例(166樓

■步驟18_步驟23-檢查BM、CMA以及Lg。如果有必要可以通過改變L、NPNS或磁芯/骨架的方法對其進行迭代,直到滿足規(guī)定的范圍(34樓)

           _實例(167樓

■步驟24 –確認BP4200高斯。如有必要,減小限流點降低因數(shù)KI35樓

           _實例(179樓

■步驟25 –計算次級峰值電流ISP36樓

           _實例(180樓

■步驟26 –計算次級RMS電流ISRMS45樓

           _實例(181樓

■步驟27 –確定次級繞組線徑參數(shù)ODSDIAS、AWGS48樓

           _實例(182樓

■步驟28 –確定輸出電容的紋波電流IRIPPLE49樓

           _實例(184樓

■步驟29 –確定次級及偏置繞組的最大峰值反向電壓PIVS,PIVB50樓

           _實例(185

■步驟30 –根據(jù)VRID選擇輸出整流管(51樓)

           _實例(186

■步驟31 –輸出電容的選擇66樓

           _實例(188

■步驟32 –后級濾波器電感L和電容C的選擇70樓

           _實例(189

■步驟33 –從表10選擇偏置繞組的整流管83樓

           _實例(190

■步驟34 –偏置繞組電容的選擇85樓

           _實例(191

■步驟35 –控制極引腳電容及串聯(lián)電阻的選擇86樓

           _實例(192

■步驟36 –根據(jù)圖34、56中所示的參考反饋電路的類型,選用相應的反饋電路元件88樓

           _實例(193

步驟37 –環(huán)路動態(tài)補償設計,以TOP-GX系列芯片為例

      37.1 、TL431工作條件分析95樓

      37.2 、零極點基礎知識96樓

      37.3 、TOPSWITCH控制環(huán)路分析基礎知識98樓

      37.4 、TOPSWITCH控制環(huán)路分析100樓

一步一步精通單端反激式開關電源設計計算工具V1.1與PI EXPERT設計結果驗證對比報告(312~313樓

*電路調試問題總結

      一、解決MOS管溫升過高問題(202樓)

      二、解決輸出整流管溫升過高問題(210樓)

      三、解決上電時輸出過沖幅度太大的問題(211樓)

      四、解決輸出電壓100HZ工頻紋波太大的問題(212樓)

      五、解決高頻變壓器溫升過高問題(215樓)

      六、提高開關電源效率問題(216樓)

      七、解決變壓器高頻嘯叫問題(220樓)

      八、以初級峰值電流為例驗證設計裕量的重要性(226樓)

      九、關于SOT-23封裝和TO-92封裝TL431使用心得(232樓)

      十、最壞條件測試一——最大漏極電壓(233樓)

      十一、最壞條件測試二——最大漏極電流(234樓)

      十二、最壞條件測試三——主要功率元件熱檢查(235樓)

      十三、對制成成品后的開關電源板進行三防漆噴漆工藝處理272樓

      十四、關于變壓器開氣隙位置的建議275樓

      十五、關于變壓器開氣隙方式的建議276樓

      十六、關于匝比不變的情況下增加和減少變壓器匝數(shù)的影響284樓

      十七、從開關應力角度深入理解反射電壓VOR的選擇范圍290樓

      十八、關于工程上磁芯開氣隙的大小建議293樓

      十九、關于峰值磁通密度驗證時的大小建議295樓

      二十、關于計算繞組匝數(shù)時使用的最大交流工作磁通密度BM和最后設計驗證時驗證的BM的關系296樓

      二一、關于選用繞組線徑大小和繞組股數(shù)層數(shù)的建議308樓

      二十二、關于計算初級繞組電感量時使用儲能方程式還是脈動電流方程式的問題360樓

      二十三、輸出二極管RC吸收電路的參數(shù)設計(待驗證)399樓

*PCB LAYOUT幾點注意事項

      PCB LAYOUT技巧一:關于浪涌防護電路(237樓)

      PCB LAYOUT技巧二:關于L和N走線層的建議(238樓)

      PCB LAYOUT技巧三:關于散熱片下方走線時建議打白油處理(241樓)

      PCB LAYOUT技巧四:關于用多個元件串并聯(lián)代替單個元件的建議(245樓)

      PCB LAYOUT技巧五:建議設計時預留關鍵測量信號的測試點(246樓)

      PCB LAYOUT技巧六:建議通用件至少預留兩種通用封裝(251樓)

      PCB LAYOUT技巧七:對絕緣耐壓有要求的場合或大的功率元件下方PCB板建議間隔性開孔處理(270樓)

      PCB LAYOUT技巧八:正確選擇單點接地(271樓)

*電氣參數(shù)測量注意事項

      一、MOSFET開關管漏極電壓的測量(252樓)

      二、測量整流橋輸出電壓(253樓)

      三、測量電源效率的測量方法(254樓)

      四、主要功率元件溫升的測量(256樓)

      五、輸出紋波測試注意事項(258樓)

      六、輸出電壓上升/下降時間測試注意事項(262樓)

*實例常規(guī)性能測試結果

      一、實例功率因素、效率和能效測試結果(259樓)

      二、實例輸出紋波測試結果(260樓)

      三、實例輸出電壓上升/下降時間測試結果(261樓)

      四、實例輸出過沖幅度測試結果(263樓)

      五、實例MOS開關管漏極、柵極工作波形測試結果(264樓)

      六、實例輸出過流保護測試結果(265樓)

      七、實例輸出短路保護測試結果(266樓)

      八、實例負載調整率測試結果(269樓)

※附件1—— 《一步一步精通單端反激式開關電源設計》WORD版(119樓)

※附件2—— 實例講解原理圖(SCH)設計源文件(194樓)

※附件3——TDK磁性材料與骨架參考資料(183樓)

備注1—— 關于散熱片熱阻和面積的簡單關系(122樓)

備注2—— 波特圖繪制軟件MATHCAD15下載鏈接(277樓)

備注3—— 很好的開關電源入門軟件PIExpertSuiteSetup64下載鏈接(278樓)

全部回復(1089)
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2015-04-30 23:20

步驟1_確定應用需求。

首先在設計之前需要簡單的了解下單端反激式開關電源需要確定哪些應用及設計需求:

1.1、流輸入最小電壓:VACMIN,單位V;交流輸入最大電壓:VACMAX,單位V

交流輸入電壓大小主要受限于國家電網(wǎng)單相市電輸出標準,常見的交流電壓輸入范圍有:

⑴寬電壓范圍:AC85~265V;⑵230或115倍壓整流:AC195~265V;⑶自定義輸入范圍;

1.2、交流輸入電壓頻率:FL,單位HZ

50HZ或者60HZ,詳細信息可百度下世界電網(wǎng)頻率表即可。本例設計取50HZ

1.3、開關頻率:FS,單位KHZ

   大于20KHZ,常用50KHZ~200KHZ,具體由開關芯片決定。

1.4、輸出電壓:Vo,單位V

   取決于用戶應用需求,主要由負載工作電壓決定

1.5、輸出電流:IO,單位A

  取決于用戶應用需求,主要由負載工作電流決定

1.6、電源效率:η 

低電壓(5V以下)輸出時,效率可取75%;

中等電壓(5V12V之間)輸出時,可選80%;

高壓(12V以上)輸出時,效率可取85%

可參考開關芯片廠商數(shù)據(jù)手冊建議,如果沒有更好的參考依據(jù),可以使用80%~85%

1.7、負載調整率:SI

   參考開關芯片產(chǎn)品規(guī)格書,例PI公司的TOP246Y提供4重負載調整率:±10%,±2.5%,±1%,±0.2%

1.8、損耗分配因子:Z

   如果Z  =  1,說明所有損耗都在次級側。如果Z  =  0,說明所有損耗都在初級側。如果沒有更好的參考數(shù)據(jù),可以使用Z = 0.5。

1.9、空載功率損耗:P_NO_LOAD,單位MW

   可參考開關芯片廠商數(shù)據(jù)手冊建議。

1.10、輸出紋波電壓:VRIPPLE,單位MV

  小于200MV,具體大小取決于用戶實際需求和該開關電源具體的應用領域。

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2015-05-01 09:36
@jianjun8410
步驟1_確定應用需求。首先在設計之前需要簡單的了解下單端反激式開關電源需要確定哪些應用及設計需求:1.1、流輸入最小電壓:VACMIN,單位V;交流輸入最大電壓:VACMAX,單位V交流輸入電壓大小主要受限于國家電網(wǎng)單相市電輸出標準,常見的交流電壓輸入范圍有:⑴寬電壓范圍:AC85~265V;⑵230或115倍壓整流:AC195~265V;⑶自定義輸入范圍;1.2、交流輸入電壓頻率:FL,單位HZ50HZ或者60HZ,詳細信息可百度下世界電網(wǎng)頻率表即可。本例設計取50HZ1.3、開關頻率:FS,單位KHZ  大于20KHZ,常用50KHZ~200KHZ,具體由開關芯片決定。1.4、輸出電壓:Vo,單位V  取決于用戶應用需求,主要由負載工作電壓決定1.5、輸出電流:IO,單位A  取決于用戶應用需求,主要由負載工作電流決定1.6、電源效率:η 低電壓(5V以下)輸出時,效率可取75%;中等電壓(5V到12V之間)輸出時,可選80%;高壓(12V以上)輸出時,效率可取85%;可參考開關芯片廠商數(shù)據(jù)手冊建議,如果沒有更好的參考依據(jù),可以使用80%~85%1.7、負載調整率:SI  參考開關芯片產(chǎn)品規(guī)格書,例PI公司的TOP246Y提供4重負載調整率:±10%,±2.5%,±1%,±0.2%1.8、損耗分配因子:Z  如果Z = 1,說明所有損耗都在次級側。如果Z = 0,說明所有損耗都在初級側。如果沒有更好的參考數(shù)據(jù),可以使用Z=0.5。1.9、空載功率損耗:P_NO_LOAD,單位MW  可參考開關芯片廠商數(shù)據(jù)手冊建議。1.10、輸出紋波電壓:VRIPPLE,單位MV 小于200MV,具體大小取決于用戶實際需求和該開關電源具體的應用領域。
放假不愁沒的看啦
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2015-05-01 10:13
@電源網(wǎng)-天邊
放假不愁沒的看啦

白天出去轉轉,晚上回來繼續(xù)寫

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2015-05-01 18:17
@jianjun8410
白天出去轉轉,晚上回來繼續(xù)寫[圖片]

步驟2_根據(jù)應用需求選擇反饋電路和偏置電壓

同樣以PI公司的TOP系列芯片為例,其他品牌開關芯片的選取原則同樣可以基于此原則。首先解釋個名詞術語:

2.1、負載調整率

百度百科是這樣解釋的:

負載調整率 (LOAD REGULATION)
電源負載的變化會引起電源輸出的變化,負載增加,輸出降低,相反負載減少,輸出升高。好的電源負載變化引起的輸出變化較小,通常指標為3%--5%。
負載調整率是衡量電源好壞的指標。好的電源輸出接負載時電壓降較小。
負載調整率=(空載時輸出電壓-滿載時輸出電壓)/(額定負載時輸出電壓)*100%
這是穩(wěn)壓電源的一項重要指標,體現(xiàn)當負載電流變化時穩(wěn)壓電源的輸出電壓相應的變化情況,通常以輸出電流從0變化到額定最大電流時,輸出電壓的變化量和輸出電壓的百分比值來表示。例如某5V直流穩(wěn)壓電源的輸出電流從0增加到最大電流1A,它的輸出電壓從5.00V降到了4.50V,降落值0.5V除以標稱輸出電壓5V,得到10%,這就是該電源的負載調整率。
2.2、反饋電路和偏置電壓參考

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2015-05-01 18:38
@jianjun8410
步驟2_根據(jù)應用需求選擇反饋電路和偏置電壓同樣以PI公司的TOP系列芯片為例,其他品牌開關芯片的選取原則同樣可以基于此原則。首先解釋個名詞術語:2.1、負載調整率百度百科是這樣解釋的:負載調整率(LOADREGULATION)電源負載的變化會引起電源輸出的變化,負載增加,輸出降低,相反負載減少,輸出升高。好的電源負載變化引起的輸出變化較小,通常指標為3%--5%。負載調整率是衡量電源好壞的指標。好的電源輸出接負載時電壓降較小。負載調整率=(空載時輸出電壓-滿載時輸出電壓)/(額定負載時輸出電壓)*100%這是穩(wěn)壓電源的一項重要指標,體現(xiàn)當負載電流變化時穩(wěn)壓電源的輸出電壓相應的變化情況,通常以輸出電流從0變化到額定最大電流時,輸出電壓的變化量和輸出電壓的百分比值來表示。例如某5V直流穩(wěn)壓電源的輸出電流從0增加到最大電流1A,它的輸出電壓從5.00V降到了4.50V,降落值0.5V除以標稱輸出電壓5V,得到10%,這就是該電源的負載調整率。2.2、反饋電路和偏置電壓參考[圖片][圖片][圖片][圖片]

步驟3_確定最小和最大直流輸入電壓VMIN和VMAX,并基于輸入電壓和PO選擇輸入存儲電容CIN的容量 

3.1、選擇輸入存儲電容CIN的容量

⑴輸入濾波電容器容量的選擇(簡單估算)

為降低整流濾波器的輸出紋波,輸入濾波電容器的容量CI必須選的合適。令每單位輸出功率(W)所需輸入濾波電容器容量(μF)的比例系數(shù)為k,當交流電壓u=85~265V時,應取k=(2~3)μF/W;當交流電壓u=230V(1±15%)時,應取k=1μF/W。輸入濾波電容器容量的選擇方法詳見附表l,Po為開關電源的輸出功率。

⑵輸入濾波電容器容量的選擇(準確計算)

準確計算輸入濾波電容器容量的方法輸入濾波電容的容量是開關電源的一個重要參數(shù)。CI值選得過低,會使UImin值大大降低,而輸入脈動電壓UR卻升高。但CI值取得過高,會增加電容器成本,而且對于提高UImin值和降低脈動電壓的效果并不明顯。

①   對于正常輸入電壓范圍:輸入電壓為AC195-265V,那么最低輸入電壓為AC195V,在該輸入電壓的情況下,整流后輸出電壓峰值一般為195*√2=275V,輸入電容的選擇一般根據(jù)整流后最低輸出電壓來計算,如果我們考慮整流后最低輸出電壓為240V,則有

195×1.414sinwt=240,可以計算wt=61,可以計算出在單個脈動周期內(nèi),

②   對于寬輸入電壓范圍:輸入電壓為AC85-265V,那么最低輸入電壓為AC85V,在該輸入電壓的情況下,整流后輸出電壓峰值一般為85*√2=120V,輸入電容的選擇一般根據(jù)整流后最低輸出電壓來計算,如果我們考慮整流后最低輸出電壓為90V,則有85×1.414sinwt=90,可以計算wt=49,可以計算出在單個脈動周期內(nèi),

③   

綜上:設計合理。

一般設計時,設定橋式整流管連續(xù)導通時間tc = 3ms,則放電時間為7ms;

3.2、確定最小和最大直流輸入電壓VMIN和VMAX.

考慮到鋁電解電容 20%的容量誤差和容量會隨著時間推移逐漸減少,根據(jù)上面計算再綜合考慮選擇合適的電容容量后,就可以確定最小和最大直流輸入電壓VMINVMAX了,同理由以上公式2變形公式得:

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2015-05-01 18:40
@jianjun8410
步驟3_確定最小和最大直流輸入電壓VMIN和VMAX,并基于輸入電壓和PO選擇輸入存儲電容CIN的容量 3.1、選擇輸入存儲電容CIN的容量⑴輸入濾波電容器容量的選擇(簡單估算)為降低整流濾波器的輸出紋波,輸入濾波電容器的容量CI必須選的合適。令每單位輸出功率(W)所需輸入濾波電容器容量(μF)的比例系數(shù)為k,當交流電壓u=85~265V時,應取k=(2~3)μF/W;當交流電壓u=230V(1±15%)時,應取k=1μF/W。輸入濾波電容器容量的選擇方法詳見附表l,Po為開關電源的輸出功率。[圖片]⑵輸入濾波電容器容量的選擇(準確計算)準確計算輸入濾波電容器容量的方法輸入濾波電容的容量是開關電源的一個重要參數(shù)。CI值選得過低,會使UImin值大大降低,而輸入脈動電壓UR卻升高。但CI值取得過高,會增加電容器成本,而且對于提高UImin值和降低脈動電壓的效果并不明顯。[圖片][圖片][圖片][圖片]①  對于正常輸入電壓范圍:輸入電壓為AC195-265V,那么最低輸入電壓為AC195V,在該輸入電壓的情況下,整流后輸出電壓峰值一般為195*√2=275V,輸入電容的選擇一般根據(jù)整流后最低輸出電壓來計算,如果我們考慮整流后最低輸出電壓為240V,則有由195×1.414sinwt=240,可以計算wt=61,可以計算出在單個脈動周期內(nèi),[圖片]②  對于寬輸入電壓范圍:輸入電壓為AC85-265V,那么最低輸入電壓為AC85V,在該輸入電壓的情況下,整流后輸出電壓峰值一般為85*√2=120V,輸入電容的選擇一般根據(jù)整流后最低輸出電壓來計算,如果我們考慮整流后最低輸出電壓為90V,則有由85×1.414sinwt=90,可以計算wt=49,可以計算出在單個脈動周期內(nèi),[圖片]③  [圖片]綜上:設計合理。一般設計時,設定橋式整流管連續(xù)導通時間tc=3ms,則放電時間為7ms;3.2、確定最小和最大直流輸入電壓VMIN和VMAX.考慮到鋁電解電容20%的容量誤差和容量會隨著時間推移逐漸減少,根據(jù)上面計算再綜合考慮選擇合適的電容容量后,就可以確定最小和最大直流輸入電壓VMIN和VMAX了,同理由以上公式2變形公式得:[圖片]
吃飯去了,晚上繼續(xù)
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2015-05-01 21:25

步驟4_輸入整流橋的選擇

50HZ交流電壓經(jīng)過全波整流后變成脈動直流電壓u1,再通過輸入濾波電容得到直流高壓U1。在理想情況下,整流橋的導通角本應為180度(導通范圍從0~180度),但由于濾波電容器C的作用,僅在接近交流峰值電壓處的很短時間內(nèi),才有輸入電流經(jīng)過整流橋對C充電。50HZ交流電的半周期時間為10ms,整流橋的導通時間tc3ms,其導通角僅為54度(導通范圍是35~90度)。因此,整流橋實際通過的是窄脈沖電流。橋式整流濾波電路的原理如圖1(a)所示,整流濾波電壓及整流電流的波形分別如圖1(b)1(c)所示。

整流橋的主要參數(shù)有反向峰值電壓UBR(V),正向壓降UF(V),平均整流電流Id(A),正向峰值浪涌電流IFSM(A),最大反向漏電流IR(uA)。整流橋的反向擊穿電壓UBR應滿足下式要求:

舉例說明,當交流輸入電壓范圍是85~132V時,umax=132V,由式(1)計算出UBR=233.3V,

可選耐壓400V的成品整流橋。需要指出,假如用4只硅整流管來構成整流橋,整流管的耐壓值還應進一步提高。譬如可選1N4007(1A/1000V)、1N5408(3A/1000V)型塑封整流管。這是因為此類管子的價格低廉,且按照耐壓值“寧高勿低”的原則,能提高整流橋的安全性與可靠性。

   選擇平均整流電流IAVG。

方法一:

設交流輸入有效值電流為IRMS,計算IRMS的公式如下:

式中,PO為開關電源的輸出功率,η為電源效率,μmin為交流輸入電壓的最小值,cosφ為開關電源的功率因數(shù),允許cosφ=0.5~0.7。由于整流橋實際通過的不是正弦波電流,而是窄脈沖電流,因此整流橋的平均整流電流Id

   例如,設計一個7.5V/2A(15W)開關電源,交流輸入電壓范圍是85~265V,要求η=80%。將Po=15W、η=80%、umin=85V、cosψ=0.7一并代入(2)式得到,IRMS=0.32A,進而求出Id=0.65×IRMS=0.21A。實際選用lA/600V的整流橋,以留出一定余量。

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2015-05-01 21:48

步驟5_確定反射的輸出電壓VOR以及鉗位穩(wěn)壓管電壓VCLO

5.1 VOR的確定

當開關管斷開,變壓器能量傳輸時,次級線圈電壓通過匝比反射到初級的電壓即為反射電壓。VOR一般在80V~135V之間選取,選取應符合以下規(guī)則:

(1)VOR越高,可減小輸入電容的容值,提高低壓時的能量傳輸;

原因:

根據(jù)伏秒積定律有:(VMIN-VDS)*TON=VOR*TOFF

VOR越高,DMAX越大,可減小輸入電容的容值,提高低壓時的能量傳輸。

(2)VOR越高,增加變壓器的漏感,降低效率,EMI增大;

原因:

(3)VOR大于135V,容易把開關管擊穿,VOR小于80V容易引起開關管在啟動時的保護。

原因:

5.2 確定RCD+Z鉗位的大小

注意:

①    VRCD是計算出理論值,再通過實驗進行調整,使得實際值與理論值相吻合. 

②    VRCD必須大于VOR1.3倍.(如果小于1.3倍,則主MOS管的VD值選擇就太低了)

③    MOSVD應當小于VDC2倍.(如果大于2倍,則主MOS管的VD值就過大了)

④    如果VRCD的實測值小于VOR1.2倍,那么RCD吸收回路就影響電源效率。 

⑤    VRCD是由VRCD1VOR組成的 

⑥    RCD吸收回路的R值越小,開關電源的效率越低;R值越大,MOS功率管有可能被擊穿。

1.測量變壓器的初級漏感Lik

初級繞組的漏感量可以通過測試來獲得,常用方法是,短路各個次級繞組測試此時的初級繞組的感量,這個值就是初級繞組的漏感量。需要注意的是,測試頻率應采用變換器的工作頻率。 

當然,批量生產(chǎn)時不可能采取逐個測試的方法,這時,可確定一個百分比來估計整個批次的漏感值,這個百分比通常是在1%--5%

2.確定設計的電源的開關頻率fs

3.確定正確的峰值初級電流IP

4.確定初級MOSFET 所允許的總電壓,并根據(jù)以下公式計算

5.確定箝位電路的電壓紋波Vdelta

(注釋:建議典型值應為 Vmaxclamp10% 。)

6.根據(jù)以下公式計算箝位電路的最小電壓: 

 V minclamp = V maxclamp - V delta

7.根據(jù)以下公式計算箝位電路的平均電壓Vclamp 

 V clamp = V maxclamp - V delta/2

8.根據(jù)以下公式計算漏感中貯存的能量:

   16.應使用快速或超快恢復二極管,將其用作箝位電路中的阻斷二極管。

(注釋:在有些情況下,使用標準恢復二極管有助于提高電源效率及 EMI 性能。用作此用途的標準恢復二極管必須列明指定的反向恢復時間。使用這種二極管時應特別注意,確保其反向恢復時間低于可接受的限值。如果未經(jīng)全面評估,不建議批準基于標準恢復二極管的設計。) 

   17.  阻斷二極管的峰值反向電壓值應大于:1.5*Vmaxclamp

   18.  阻斷二極管的正向反復峰值電流額定值應大于IP ,如果數(shù)據(jù)手冊中未提供該參數(shù),則平均正向電流額定值應大于:0.5*IP

 (注釋:二極管的平均正向電流額定值可指定為較低值,它主要受熱性能的約束。應在穩(wěn)態(tài)工作期間及最低輸入電壓條件下測量阻斷二極管的溫度,以確定其額定值是否正確。散熱性能、元件方位以及最終產(chǎn)品外殼都會影響到二極管的工作溫度。)

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jianjun8410
LV.7
10
2015-05-01 21:57
發(fā)現(xiàn)發(fā)帖時對數(shù)學公式的支持不是很好,所以很多有公式相關的地方我都是在自己的電腦上用WORD處理好后,然后采用截圖的辦法上傳上來,不知道有什么好的辦法。。。
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2015-05-02 10:34
@jianjun8410
發(fā)現(xiàn)發(fā)帖時對數(shù)學公式的支持不是很好,所以很多有公式相關的地方我都是在自己的電腦上用WORD處理好后,然后采用截圖的辦法上傳上來,不知道有什么好的辦法。。。

看到這么好的帖子先頂一個!

您說的帖子中輸入公式的問題記下啦,我們會看看有什么好的解決方法沒有。

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jianjun8410
LV.7
12
2015-05-02 10:50
@電源網(wǎng)-fqd
看到這么好的帖子先頂一個!您說的帖子中輸入公式的問題記下啦,我們會看看有什么好的解決方法沒有。
目前網(wǎng)上也有很多類似的資料,但個人覺得都不夠基礎,不夠深入,不夠追根溯源,所以總結了一下,雖然有部分資料也參考了網(wǎng)上的資源,但是都在自己理解的基礎上加以了深入的剖析,個人覺得非常適合反擊式開關電源設計的初學者以及為進一步深入學習的電源工程師做鋪墊,后面還有很多設計過程,這幾天有空慢慢整理,呵!
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jianjun8410
LV.7
13
2015-05-02 10:55
@電源網(wǎng)-fqd
看到這么好的帖子先頂一個!您說的帖子中輸入公式的問題記下啦,我們會看看有什么好的解決方法沒有。

輸入公式要是能像WORD那樣有個數(shù)學公式的組件就好了,再或者只要支持能從WORD里編輯好粘貼過來也行。現(xiàn)在的問題是WORD里編輯好的公式粘貼過來后會丟東西,比如根號什么的粘貼過來后就沒有了,所以目前采用的傻辦法,WORD里編輯好后用截圖的方式粘貼過來的

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2015-05-02 11:36
@jianjun8410
輸入公式要是能像WORD那樣有個數(shù)學公式的組件就好了,再或者只要支持能從WORD里編輯好粘貼過來也行?,F(xiàn)在的問題是WORD里編輯好的公式粘貼過來后會丟東西,比如根號什么的粘貼過來后就沒有了,所以目前采用的傻辦法,WORD里編輯好后用截圖的方式粘貼過來的
好嘀,記下啦!
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jianjun8410
LV.7
15
2015-05-02 19:35

步驟6_對應相應的工作模式及電流波形設定電流波形參數(shù)KP:當KP1時,KP=KRP;KP1時,KP=KDP  

KP用以表征開關電源的工作模式(連續(xù)、非連續(xù))。連續(xù)模式時KP小于1,非連續(xù)模式KP大于等于1. KP較小,意味著更為連續(xù)的工作模式和較大的初級電感量,且初級的IP和IRMS值較小,此時可選用較小功率的MOSFET,但高頻變壓器體積相對要大;反之,當選取的KP較大時,表示連續(xù)性較差,此時高頻變壓器體積相對較小,但需要較大功率的功率開關。在輸入電壓和輸出功率相同時,連續(xù)模式的初級電感量大約是不連續(xù)模式的4倍。設計成連續(xù)模式,初級電路中的交流成分要比不連續(xù)模式少,可減小MOSFET和高頻變壓器的損耗,提高電源效率,但工作環(huán)路穩(wěn)定性不好控制,許多設計師寧可采用非連續(xù)狀態(tài)(KP=1.0)設計,這樣控制環(huán)路較容易穩(wěn)定。對于KP的選取需要根據(jù)實際不斷調整取最佳。

對于KP的選取,一般由最小值選起,即當電網(wǎng)入電壓為100 VAC/115 VAC或者通用輸入時,KP=0.4;當電網(wǎng)輸入電壓為230 VAC時,取KP=0.6,非連續(xù)模式設計當中,設定KP=1,KP值必須在表5所規(guī)定的范圍之內(nèi)。

下面從幾個方面來討論兩種模式的優(yōu)缺點。

   (1)功率元器件的選擇

在DCM模式下,初級電流和次級電流的大小是CCM模式下的兩倍多,大的峰值電流需要電流應力比較高的MOSFET和二極管,這樣勢必會增加元器件的成本,因此如果從功率元器件的選擇方面來進行比較的話,選擇CCM模式會比DCM模式占優(yōu)勢。

   (2)變壓器體積。

從鐵心窗口面積與截面積的乘積的比值可以看出,DCM模式下的反激式變壓器要比CCM模式下的反激式變壓器小很多。但是在實際應用中,由于DCM模式下的磁密變化幅度比CCM模式下的要大,如圖3所示,所以其鐵心的鐵損也更大。因此在上面鐵心窗口面積與截面積的乘積公式的計算時,對于DCM模式,最大磁密Bm的取值必須要更小一些。實際的DCM模式下的變壓器會比CCM模式下的小,但是沒有理論公式計算的那么小。

(3) 輸出濾波器LC的大小。

DCM模式有較大的次級峰值電流,開關管關斷時刻,所有的次級大電流流入電容C,假設其等效串聯(lián)電阻為Resr,這將產(chǎn)生窄而高的輸出電壓尖峰Ip(Np/Ns)Resr。而通常來說,電源是以有效值或峰-峰基值來規(guī)定輸出電壓紋波要求的,尖峰的寬度通常小于0.5Ls(隨時間常數(shù)Resr不同而不同),因此這樣的高尖峰的有效值很小。當選用大容量輸出濾波電容時,電流很容易滿足有效值紋波要求,但電源會輸出危害很大的尖峰電壓。因此,通常要在反激式變換器后面加小型的LC濾波器。因為在DCM模式下有較高的尖峰電壓,所以需要LC值較大的濾波器以達到滿足紋波要求的目的。DCM模式較大容量的LC濾波器需要占用較大的體積,這在一定程度上縮小了反激式開關電源工作在DCM模式和CCM模式下體積大小的差距

   (4) 從其它方面來分析。

除了可以從上面的因素來分析兩種模式對開關電源的影響之外,還可以從損耗以及EMI等方面來分析。譬如,由于DCM模式下初級和次級電流都比較大,同等條件下的損耗會相應的增大,以至于降低開關電源的效率。

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jianjun8410
LV.7
16
2015-05-02 19:38

步驟7_根據(jù)VMINVOR確定DMAX

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jianjun8410
LV.7
17
2015-05-02 20:17

步驟8_計算初級峰值電流IP、輸入平均電流IAVG和初級RMS電流IRMS

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jianjun8410
LV.7
18
2015-05-02 21:30

步驟9_基于AC輸入電壓,VO、PO以及效率選定MOS管芯片

9.1 AC輸入電壓。AC輸入電壓主要影響的是MOS芯片的BVDSS耐壓,由于MOS芯片控制的是AC輸入電壓經(jīng)過整流后輸入到變壓器初級繞組的直流電壓大小,從而達到控制變壓器儲存能量到傳遞能量的過程。理想情況下BVDSS的大小只要大于輸入直流電壓大小VMAX+反射電壓VOR就可以了,但是實際應用中國,由于變壓器初級繞組漏感的存在,電路寄生參數(shù)的影響,再加上期間本身誤差及工作條件的限制,所以需要綜合考慮輸入電壓的大小,主要參考原則:

以上是以交流AC220V輸入條件為例,其他輸入電壓大小可以基于此原則。

9.2 VOPO以及效率

VO、PO以及效率主要影響的是MOS芯片的ID電流大小以及MOS芯片工作時功耗散熱的能力,雖然MOS芯片的散熱可以通過增加散熱片的方式進行補償,但是散熱片的體積和大小也是影響開關電源整體設計的一個主要方面,散熱片上太大的功耗會產(chǎn)生太大的溫升,這是開關電源設計的時候所不允許的,另一方面,太大的散熱片也會產(chǎn)生太大的體積,實際情況并不適用,這種情況一般通過在滿足ID電流的基礎上盡量選擇更小RDS的MOS芯片,以滿足MOS芯片散熱方面一定的裕量。至于散熱片的尺寸大小,在選定了MOS芯片之后,芯片的規(guī)格書上一般都會有推薦的體積大小,后續(xù)的章節(jié)也有關于散熱片方面的詳細介紹。

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jianjun8410
LV.7
19
2015-05-02 21:42

步驟10_設定外部限流點,通過MOS芯片的降低因數(shù)KI降低MOS芯片的ILIMIT

這里主要分為兩種情況:

10.1 MOS芯片沒有外部限流點設置,這種情況一般選擇比實際需求更大的MOS管芯片,以滿足ID留有一定的裕量;

10.2 MOS管芯片有外部限流點設置時,如果應用要求有很高的效率,可以使用比實際所需更大的MOS管芯片,在外部將芯片限流點IL I M I T 降低,從而可以利用其較低的RDS(ON)來提高效率。

ILIMIT(MIN) =缺省ILIMIT(MIN*KI

ILIMIT(MAX)=缺省ILIMIT(MAX*KI

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jianjun8410
LV.7
20
2015-05-02 21:43

步驟11_通過IPILIMIT的比較驗證MOS芯片選擇的正確性

當KI= 1.0,應滿足IP ≤ 0.96 x ILIMIT(min)。

當KI< 1.0,應滿足IP ≤ 0.94 x ILIMIT(min)。

一般選擇IP滿足 IP ≤ 0.9 * ILIMIT(min),這是因為高溫時極限電流最小值會減小10%,為使器件有更高的可靠性工作范圍而留有余量。

?  如有必要選擇更大型號的MOS管芯片。

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jianjun8410
LV.7
21
2015-05-02 21:46

步驟12_計算功率開關管熱阻選擇散熱片驗證MOS芯片選擇的正確性

其中,TJ表示芯片的允許結溫,TA表示工作環(huán)境溫度,RJA表示允許的總熱阻。

RJA = RJC + RCS + RSA

RJA的大小與管芯的尺寸封裝結構有關,一般可以從器件的數(shù)據(jù)資料中找到。RCS的大小與安裝技術和器件的封裝有關,對于TO220封裝,一般用2左右,

RSA為合適的散熱片熱阻。如果散熱片尺寸比較大或無法實現(xiàn),那么應當選用更大功率的MOS管芯片以提高結點溫度,如果有必要減少功耗,可用較大的

MOS管芯片來檢驗熱溫升限制。 

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jianjun8410
LV.7
22
2015-05-02 21:56

步驟13_計算初級電感量LP

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jianjun8410
LV.7
23
2015-05-02 21:57
@jianjun8410
步驟13_計算初級電感量LP[圖片]
馬上10點了,看球去了,今天就更新到這里了
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2015-05-03 17:52
@jianjun8410
馬上10點了,看球去了,今天就更新到這里了
還是個球迷-
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jianjun8410
LV.7
25
2015-05-03 22:25
@電源網(wǎng)-天邊
還是個球迷-

幸虧沒錯過,巴薩8:0,太精彩了,梅西,加油!

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2015-05-04 10:08
@jianjun8410
幸虧沒錯過,巴薩8:0,太精彩了,梅西,加油!
8:0 場面好血腥 完虐啊~
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tfxl8278
LV.5
27
2015-05-04 10:55
@jianjun8410
馬上10點了,看球去了,今天就更新到這里了
看完球接著寫哈,精彩不斷。
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jianjun8410
LV.7
28
2015-05-04 10:59

步驟14_選擇磁芯和骨架,再從磁芯和骨架的數(shù)據(jù)手冊中得到Ae,le,AL,和BW的參考值

磁芯是制造高頻變壓器的重要組成,設計時合理、正確地選擇磁芯材料、參數(shù)、結構,對變壓器的使用性能和可靠性,將產(chǎn)生至關重要的影響。高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開關管導通時只儲存能量,而在截止時向負載傳遞能量。因為開關頻率為 100 kHz,屬于比較高的類型,所以選擇材料時選擇在此頻率下效率較高的鐵氧體。

方法一:依據(jù)功率估算公式選擇適合的磁芯

小型化開關電源可選低成本的EEEI型(二者截面積相同)磁芯;多路輸出宜采用EFD型磁芯,因為能提供較大的窗口以便容納多個次級繞組;大功率開關電源適配EFD型(圓中心柱)磁芯;一般不用環(huán)形、POTRM磁芯,因為泄露磁場較大。

選定磁芯后,查出磁芯以下參數(shù),用于下面的計算:

磁芯有效截面積SJ,即有效磁通面積;

磁芯的有效磁路長度L;

磁芯在不留間隙時與匝數(shù)相關的等效電感AL;

骨架寬度b;

方法二:基于AP法選擇磁芯

AP表示磁心有效截面積與窗口面積的乘積。計算公式為

AP= Aw* Ae                                                                 (1)

式中,AP的單位是cm4 ;Aw為磁心可繞導線的窗口面積(cm2 );Ae為磁心有效截面(cm2),

AeSJ=CDSJ為磁芯幾何尺寸的截面積,C為舌寬,D為磁芯厚度。根據(jù)計算出的AP值,

即可查表找出所需磁芯型號。下面介紹將AP法用于開關電源高頻變壓器設計時的公式推導

及驗證方法。

1高頻變壓器電路的波形參數(shù)分析

開關電源的電壓及電流波形比較復雜,既有輸入正弦波、半波或全波整流波,又有矩形波

(PWM波形)、鋸齒波(不連續(xù)電流模式的一次側電 流波形)、梯形波(連續(xù)電流模式的一次側

電流波 形)等。高頻變壓器電路中有3個波形參數(shù):波形系數(shù)(K ),波形因數(shù)( ),波峰因數(shù)( )。

因方波和梯形波的平均值為零,故改用電壓均絕值|U|來代替。對于矩形波,t表示脈沖

寬度,丁表示周期,占空比D=tT。

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jianjun8410
LV.7
29
2015-05-04 11:01
@tfxl8278
看完球接著寫哈,精彩不斷。
必須的,繼續(xù)更新中~
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jianjun8410
LV.7
30
2015-05-04 11:02
@電源網(wǎng)-娜娜姐
8:0場面好血腥完虐啊~
那張比賽太經(jīng)典了,只是內(nèi)馬爾整場有點可憐,最后就收貨了一個點球,呵呵
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jianjun8410
LV.7
31
2015-05-04 14:24

步驟15_根據(jù)初級電感量大小以及磁芯參數(shù)計算初級繞組圈數(shù)NP

L = 磁鏈 / 電流 = (匝數(shù) * 面積 * 磁通密度)/  電流,做如下變形:

計算初級繞組圈數(shù)NP

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