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今天是
開關電源設計的主體思想！
添加時間：2020-7-8 10:48:42　出處：恒南電子　作者：恒南電子 點擊：1418

開關電源設計教程—主體思想 


很多工(gong)程師(shi)都能(neng)回想起自己(ji)初(chu)學電(dian)(dian)源時的(de)(de)情景(jing)，從最(zui)基(ji)礎(chu)(chu)的(de)(de)理(li)論(lun)基(ji)礎(chu)(chu)開始，大(da)量的(de)(de)查閱資料。經歷了(le)迷茫(mang)和困惑，用時間一點點的(de)(de)積累。小編(bian)將(jiang)為大(da)家(jia)整理(li)一系列有關開關電(dian)(dian)源設計的(de)(de)教程，幾(ji)乎(hu)包含了(le)開關電(dian)(dian)源的(de)(de)所有拓撲。這(zhe)些教程由前工(gong)程師(shi)編(bian)寫，根據自身(shen)的(de)(de)自學經驗為大(da)家(jia)量身(shen)打造，希望能(neng)夠幫助大(da)家(jia)走出迷茫(mang)，盡快邁(mai)上正軌。

在本(ben)篇文章當中(zhong)將繼續(xu)分(fen)享來自前工程師的關于反(fan)激變(bian)壓器(qi)的設計(ji)細節，這一節是設計(ji)的主體思想(xiang)，較(jiao)為(wei)重要，希望(wang)大家能夠充分(fen)理解。

本(ben)篇文章以一(yi)款19V、3.42A的適配器主(zhu)(zhu)功率回(hui)路設計過(guo)程(cheng)為(wei)中心(xin)，來講(jiang)解(jie)一(yi)下反激(ji)式變(bian)壓器的設計，主(zhu)(zhu)要(yao)參(can)數：

輸入電壓：85-264AC；
輸(shu)出：19V3.42A；
計算輸出功率Pout=Iout*Vout=19*3.42=64.98W；
計算輸入(ru)功(gong)率。Pin=Pout/η；

這(zhe)(zhe)里(li)(li)會出(chu)現一個效率(lv)(lv)估(gu)算的(de)(de)問題。效率(lv)(lv)η不(bu)應(ying)該是(shi)電源(yuan)的(de)(de)總轉換效率(lv)(lv)。這(zhe)(zhe)里(li)(li)的(de)(de)效率(lv)(lv)應(ying)該只(zhi)包括變壓器(qi)損(sun)(sun)耗(hao)(hao)、次級(ji)整(zheng)流二極管損(sun)(sun)耗(hao)(hao)，PCB走線損(sun)(sun)耗(hao)(hao)，輸出(chu)線損(sun)(sun)耗(hao)(hao)。Mos管損(sun)(sun)耗(hao)(hao)，整(zheng)流橋(qiao)損(sun)(sun)耗(hao)(hao)，前面(mian)的(de)(de)濾波電路(lu)的(de)(de)損(sun)(sun)耗(hao)(hao)，都不(bu)應(ying)該計算進去的(de)(de)。
估(gu)算大(da)電解電容上的直流電壓

Vdcmax=Vacmax*1.414=264*1.414=373V
Vdcmin=Vacmin*1.414*90%=108.171V

這里為(wei)什么(me)要乘上0.9呢？是因為(wei)在(zai)AC輸入(ru)低端，Flyback工(gong)作在靠近(jin)最(zui)大(da)占空比的(de)(de)位置，此時整個功率回路的(de)(de)增益(yi)必須保證有余量，計算(suan)輸入(ru)電壓應該按照大(da)電解電容上(shang)的(de)(de)谷底電壓來進(jin)行計算(suan)。谷底電壓到底是多少，這(zhe)個和所(suo)選取的(de)(de)電解電容的(de)(de)容量有關系，具體怎么計算(suan)，大(da)家可去(qu)網絡上(shang)查詢，有很多相關資料。

高壓端滿(man)載(zai)，Flyback工(gong)作在滿(man)載(zai)的最小占空比(bi)狀態，這(zhe)個時(shi)候需要注意的是Mos管，二(er)極(ji)管上面的(de)電壓應力，而整個電路的(de)增益不需要考慮的(de)。

選擇工作頻率

Mos管上的(de)電(dian)壓應力越(yue)低，頻率就(jiu)可以跑的(de)越(yue)高(gao)，也(ye)就(jiu)是輸入電(dian)壓越(yue)低的(de)產品，頻率就(jiu)可以跑得高(gao)一(yi)些，因(yin)為(wei)電(dian)壓高(gao)低對(dui)開關電(dian)源(yuan)Mos管上面的(de)交(jiao)叉損耗，影響非常(chang)大。可觀察一(yi)下(xia)跑到上M級別(bie)頻率的(de)開關電(dian)源(yuan)，輸入電(dian)壓都是非常(chang)低的(de)。

對于(yu)全電壓反激，100K沒問題的(de)(de)。不(bu)要抱(bao)著頻率低，效率高(gao)這(zhe)樣的(de)(de)觀點(dian)去(qu)設(she)計，其(qi)實這(zhe)種(zhong)說法(fa)不(bu)科(ke)學的(de)(de)。頻率低，每秒鐘開(kai)關(guan)次數少(shao)，開(kai)關(guan)損耗感覺會(hui)小一些(xie)。但是(shi)這(zhe)個是(shi)有前提條(tiao)件(jian)的(de)(de)，前提條(tiao)件(jian)就(jiu)是(shi)對于(yu)已經設(she)計好的(de)(de)變壓器，降低頻率，是(shi)可(ke)以直接觀察(cha)到(dao)效率提高(gao)。

但是在設計(ji)初始階段(duan)，就(jiu)(jiu)不(bu)一定(ding)了(le)。頻(pin)率太低，變壓器需要較大(da)電感量，同樣(yang)的(de)磁芯需要更多(duo)的(de)匝(za)(za)數，骨架定(ding)了(le)，可(ke)利(li)用的(de)窗口面積一定(ding)，那(nei)么較多(duo)的(de)匝(za)(za)數就(jiu)(jiu)不(bu)得不(bu)用比較細的(de)線(xian)徑(jing)，這樣(yang)就(jiu)(jiu)不(bu)利(li)于線(xian)損(sun)控制。較多(duo)的(de)匝(za)(za)數，會(hui)有更大(da)的(de)寄生電容(rong)，造成Mos管開(kai)通(tong)電流沖(chong)過大(da)，損(sun)耗不(bu)降反增(zeng)。

其(qi)實(shi)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)在可(ke)(ke)(ke)接(jie)受的(de)(de)(de)范圍內，盡量提高開關頻(pin)率(lv)。因(yin)為變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)溫升處理，很多(duo)情(qing)況下(xia)比(bi)Mos管更麻煩。較高的(de)(de)(de)開關頻(pin)率(lv)就可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)降低(di)(di)所(suo)需(xu)電(dian)感量，降低(di)(di)匝數，我們就可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)選(xuan)取(qu)更粗一些的(de)(de)(de)線徑，同時(shi)變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)寄生參數會變(bian)得(de)更好，假如選(xuan)取(qu)合適(shi)的(de)(de)(de)工作點，Mos管的(de)(de)(de)溫升完全(quan)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)保(bao)證在可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)接(jie)受的(de)(de)(de)范圍內。對于全(quan)電(dian)壓(ya)(ya)，新(xin)手不妨以(yi)(yi)65K作為起始點開始進行設計(ji)。其(qi)實(shi)全(quan)電(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)反激，65-110K都沒(mei)問題的(de)(de)(de)。
新手大可以65K作為(wei)設計出發點。

什么(me)時候(hou)需(xu)要調(diao)整頻(pin)率呢，對(dui)(dui)于選定(ding)(ding)的磁(ci)芯，變(bian)(bian)壓器繞不下(xia)了，在(zai)板子Outline確定(ding)(ding)的情(qing)況下(xia)，不能(neng)更換更大的磁(ci)芯，就需(xu)要提(ti)高(gao)工(gong)作頻(pin)率，提(ti)高(gao)了工(gong)作頻(pin)率，對(dui)(dui)于同樣的輸出功(gong)率，變(bian)(bian)壓器繞線(xian)的圈數就會變(bian)(bian)小。

注意一點(dian)，頻(pin)率變(bian)高，理論上(shang)(shang)磁芯(xin)損耗(hao)會(hui)(hui)增加，但是實際設計中，對于工(gong)作在第一象(xiang)限(xian)的(de)連續(xu)反激模式開關電(dian)源，磁芯(xin)損耗(hao)增加是很有限(xian)的(de)。改(gai)變(bian)電(dian)源的(de)工(gong)作頻(pin)率，對整機最大的(de)影響是改(gai)變(bian)工(gong)作頻(pin)率，整機的(de)溫升(sheng)(sheng)分布會(hui)(hui)發生轉移。頻(pin)率抬高，Mos管(guan)、二極管(guan)的(de)溫升(sheng)(sheng)理論上(shang)(shang)會(hui)(hui)有所(suo)增加，變(bian)壓器線(xian)包溫升(sheng)(sheng)會(hui)(hui)下降。

提高(gao)了(le)開(kai)關頻率，開(kai)關管在一秒鐘內開(kai)關次數(shu)變(bian)(bian)多(duo)了(le)，開(kai)關交叉損(sun)耗的次數(shu)也變(bian)(bian)多(duo)了(le)，但是開(kai)關管的溫升(sheng)不(bu)一定會變(bian)(bian)高(gao)。因(yin)為變(bian)(bian)壓器的寄生(sheng)參數(shu)因(yin)為匝數(shu)減(jian)少而變(bian)(bian)得更好(hao)，寄生(sheng)電容產生(sheng)的損(sun)耗很多(duo)情況下都會有所改善(shan)。

頻(pin)率變高(gao)，次(ci)級整流(liu)二(er)(er)極(ji)管(guan)的損耗會有(you)所(suo)增加，因為二(er)(er)極(ji)管(guan)寄生(sheng)電容（與(yu)二(er)(er)極(ji)管(guan)并聯(lian)）的存在(zai)，頻(pin)率變高(gao)，寄生(sheng)電容在(zai)每秒鐘充(chong)放電的次(ci)數也會隨(sui)之增加，而寄生(sheng)電容放電是通過二(er)(er)極(ji)管(guan)本(ben)身放電的，這個影響也是有(you)限(xian)的。

選擇合適的最大占空比

回(hui)顧一(yi)下上面寫的(de)反(fan)激式開關電(dian)源輸入輸出關系表達式：

Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)

代入(ru)上式得：

Vout=(1/n)(Vin*<D/(1-D))>

我們對于(yu)一(yi)定(ding)的輸入輸出電壓(ya)(ya)，要確定(ding)一(yi)個(ge)合適(shi)的主回路增(zeng)益。<什(shen)么是(shi)增(zeng)益，就是(shi)Vout/Vindc(大電解(jie)電容上的電壓(ya)(ya)Vindc)>，所有(you)的拓撲的設計，這一(yi)步都是(shi)必不可少的。看一(yi)下與反激式主回路增(zeng)益有(you)關(guan)的參數(shu)，占(zhan)空比(bi)D與變比(bi)n。

先說占空比(bi)，D<;0.5，在變比(bi)為(wei)1的情況下，主回路增益<1，也就是(shi)(shi)說，這時候反(fan)激式電路是(shi)(shi)工(gong)作在降壓區域(yu)。占空比(bi)D>0.5，反(fan)激式工(gong)作在升壓區域(yu)。

變比

變(bian)比(bi)對什么(me)東(dong)西有影響呢?變(bian)比(bi)直接影響到Mos管，輸(shu)出二極(ji)管的電(dian)壓(ya)應(ying)力，因為我們常規產品都是(shi)市電(dian)輸(shu)入，輸(shu)出也是(shi)有標準的幾個檔次，常用(yong)電(dian)壓(ya)一般(ban)有5V、12V、24V、48V，這樣子呢，世面上大量供貨的Mos管，整(zheng)流二極(ji)管，也都有對應(ying)的型號。

所以呢，對于一定的(de)(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)電壓(ya)，我們(men)不能隨意的(de)(de)去選擇占(zhan)空比，這個都是有可取的(de)(de)范圍(wei)的(de)(de)。我們(men)先看一下(xia)Mos管的(de)(de)電壓(ya)應(ying)力。

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)




圖(tu)1是斷(duan)續模式的(de)Vds和次級電流(liu)對應(ying)的(de)波(bo)形(xing)。




Mos關斷，次級(ji)(ji)二(er)極管導通，變壓(ya)(ya)器次級(ji)(ji)同名端(duan)電(dian)壓(ya)(ya)被鉗位到Vout+Vf（Vf是整流二(er)極管的(de)正向壓(ya)(ya)降(jiang)）。初級(ji)(ji)Mos管關斷，Mos管上(shang)(shang)的(de)電(dian)壓(ya)(ya)應(ying)(ying)力為(wei)Vdc加上(shang)(shang)變壓(ya)(ya)器次級(ji)(ji)反射到初級(ji)(ji)的(de)反射電(dian)壓(ya)(ya)。實際計(ji)算(suan)的(de)時候，我(wo)們應(ying)(ying)該在Vdcmax這個點來進行計(ji)算(suan)，因為(wei)Mos管一(yi)定是在輸入電(dian)壓(ya)(ya)最高的(de)時候電(dian)壓(ya)(ya)應(ying)(ying)力最大。當然Vds上(shang)(shang)的(de)電(dian)壓(ya)(ya)應(ying)(ying)力，除了我(wo)們計(ji)算(suan)出來的(de)平臺電(dian)壓(ya)(ya)，還有因為(wei)寄生(sheng)參數產生(sheng)的(de)振鈴尖(jian)峰。



所以呢，對于(yu)管子耐(nai)(nai)壓(ya)我(wo)們都要留(liu)裕量的(de)(de)，一般我(wo)們取管子標(biao)稱耐(nai)(nai)壓(ya)的(de)(de)80-90%，具(ju)體要看產(chan)品(pin)的(de)(de)客(ke)戶規格(ge)書，或(huo)者自(zi)己公司(si)內部的(de)(de)要求。變比n同時還(huan)決定輸出(chu)整流(liu)二極管的(de)(de)電(dian)壓(ya)應力(li)，推導方法(fa)和Vsd一樣，大家可以自(zi)行推導。

其實(shi)我們在實(shi)際設計(ji)中，不會單獨的去(qu)選取變(bian)比，而(er)是(shi)使(shi)用反激式變(bian)換器的總(zong)增益公式，直接選取Dmax，從而得出適合的變比n.

Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)

代(dai)入上(shang)式(shi)得(de)：

Vout=(1/n)

這(zhe)個是(shi)反激(ji)式(shi)(shi)的輸入輸出(chu)關(guan)系式(shi)(shi):

Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>

對于(yu)一定(ding)的(de)輸入(ru)輸出:

Vout=19V
Vinmin=Vacmin*1.414*0.9=85*1.414*0.9=108.171V
Vout=(1/n)<Vin*[D/(1-D)]>------>Vout

已知Vin已知我們選取合適的(de)D值，就會得到不(bu)同的(de)變比n。

(這(zhe)里需(xu)要注意，選取(qu)占(zhan)空(kong)比(bi)(bi)，是按(an)照最(zui)低輸(shu)入電(dian)壓來選取(qu)的(de)，因為我們(men)必須保證在最(zui)低輸(shu)出(chu)電(dian)壓的(de)情況下，電(dian)源能(neng)夠帶滿載，并且需(xu)要有增(zeng)益(yi)裕量(liang)，保證動態(tai)性能(neng)。而變比(bi)(bi)的(de)參(can)數跟(gen)最(zui)大占(zhan)空(kong)比(bi)(bi)是對(dui)應的(de)，觀察反(fan)激式的(de)輸(shu)入輸(shu)出(chu)增(zeng)益(yi)公式，會發現每一個最(zui)大占(zhan)空(kong)比(bi)(bi)對(dui)應一個變比(bi)(bi)。)

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)
Vd=(Vdcmax/n)+Vout

把得到(dao)的(de)變比(bi)n帶如(ru)上式，就可(ke)以(yi)得到(dao)對應(ying)的(de)Mos管(guan)電壓應(ying)力（平臺），輸出(chu)二(er)(er)極管(guan)電壓應(ying)力，根(gen)據實(shi)際可(ke)選(xuan)的(de)Mos管(guan)，二(er)(er)極管(guan)的(de)耐壓，就可(ke)以(yi)選(xuan)出(chu)合適的(de)可(ke)用占空比(bi)。

不要感(gan)覺很麻煩，實際設計(ji)過程(cheng)中，很多參(can)數(shu)都需(xu)要反復迭代的(de)，但并不提倡(chang)大家進行手算(suan)(suan)。下手計(ji)算(suan)(suan)第(di)一(yi)容易出(chu)錯，第(di)二，效(xiao)率很低，推薦(jian)一(yi)定要用合適(shi)的(de)軟件，比如Mathcad，Excel，把公式做(zuo)成計(ji)算(suan)(suan)表，我(wo)們只需(xu)要根據自(zi)己的(de)分析判斷(duan)輸入參(can)數(shu)，計(ji)算(suan)(suan)由電腦來完成。

上(shang)面提及的(de)(de)知(zhi)識都是是否能夠充(chong)分理解變壓器設(she)計的(de)(de)主要思想。希望大家能夠充(chong)分理解。從事電源工程師行業，實(shi)踐經驗(yan)的(de)(de)重要性要遠(yuan)遠(yuan)大于基礎理論(lun)的(de)(de)學習，知(zhi)識都是在問題的(de)(de)解決(jue)和實(shi)踐中學習到(dao)的(de)(de)，而不是對著書本死磕理論(lun)得來的(de)(de)。

-END-

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