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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 10:52:06　出處：恒南電子　作者：恒南電子點擊：1358

開關電源設計教程—主體思想

很多工程師都能回想起自己初學電(dian)源(yuan)(yuan)時的(de)(de)(de)情景，從最基(ji)礎(chu)的(de)(de)(de)理論基(ji)礎(chu)開(kai)始(shi)，大(da)量的(de)(de)(de)查閱(yue)資料(liao)。經歷了(le)迷(mi)茫和(he)困(kun)惑，用時間一點點的(de)(de)(de)積(ji)累。小編(bian)將為大(da)家整(zheng)理一系列有關開(kai)關電(dian)源(yuan)(yuan)設計的(de)(de)(de)教程，幾乎包含了(le)開(kai)關電(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)所有拓(tuo)撲。這些教程由(you)前工程師編(bian)寫(xie)，根據(ju)自身(shen)的(de)(de)(de)自學經驗為大(da)家量身(shen)打造，希望能夠幫(bang)助大(da)家走出迷(mi)茫，盡快邁上正軌(gui)。

在本篇(pian)文章當中將繼續分享來自前工(gong)程師(shi)的(de)(de)關于反激變壓器的(de)(de)設計細(xi)節，這一節是設計的(de)(de)主體思(si)想(xiang)，較為重要(yao)，希望大家能夠(gou)充分理解(jie)。

本篇文章(zhang)以一款19V、3.42A的(de)(de)適配(pei)器(qi)主功率回路(lu)設計過程為中心(xin)，來講解一下反激式變壓器(qi)的(de)(de)設計，主要參數(shu)：

輸(shu)入電壓：85-264AC；

輸出：19V3.42A；

計算輸(shu)出功率(lv)Pout=Iout*Vout=19*3.42=64.98W；

計算輸(shu)入功率。Pin=Pout/η；

這里(li)會出現一個效率(lv)(lv)估算的(de)問題(ti)。效率(lv)(lv)η不(bu)應(ying)該是電(dian)源的(de)總(zong)轉換效率(lv)(lv)。這里(li)的(de)效率(lv)(lv)應(ying)該只包(bao)括(kuo)變壓器損(sun)(sun)耗(hao)、次級整流二極管損(sun)(sun)耗(hao)，PCB走線損(sun)(sun)耗(hao)，輸出線損(sun)(sun)耗(hao)。Mos管損(sun)(sun)耗(hao)，整流橋損(sun)(sun)耗(hao)，前面的(de)濾(lv)波電(dian)路的(de)損(sun)(sun)耗(hao)，都不(bu)應(ying)該計算進去的(de)。

估算大電解電容上的(de)直流電壓

Vdcmax=Vacmax*1.414=264*1.414=373V

Vdcmin=Vacmin*1.414*90%=108.171V

這里為什么(me)要乘上0.9呢？是因為在AC輸(shu)入(ru)低端，Flyback工作在(zai)靠近最大占空比的位(wei)置，此時整個(ge)功率回路的增(zeng)益必須保(bao)證有余量，計(ji)算(suan)輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)應該按照大電(dian)(dian)解(jie)電(dian)(dian)容上的谷底電(dian)(dian)壓(ya)來進行計(ji)算(suan)。谷底電(dian)(dian)壓(ya)到底是多(duo)少(shao)，這個(ge)和所選取的電(dian)(dian)解(jie)電(dian)(dian)容的容量有關(guan)系，具(ju)體(ti)怎(zen)么計(ji)算(suan)，大家可去網絡(luo)上查(cha)詢，有很多(duo)相關(guan)資料。

高壓端滿(man)載，Flyback工作在滿(man)載的最小占空比(bi)狀(zhuang)態(tai)，這個時候需要注意的是Mos管，二極(ji)管上面的電壓(ya)應力，而整個(ge)電路的增(zeng)益不需(xu)要考慮的。

選擇工作頻率

Mos管(guan)上(shang)的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)應力越(yue)低(di)(di)，頻(pin)率(lv)就可(ke)以跑(pao)的(de)(de)越(yue)高(gao)，也(ye)就是(shi)輸入電(dian)(dian)壓(ya)越(yue)低(di)(di)的(de)(de)產品，頻(pin)率(lv)就可(ke)以跑(pao)得高(gao)一(yi)些，因為電(dian)(dian)壓(ya)高(gao)低(di)(di)對開關電(dian)(dian)源Mos管(guan)上(shang)面的(de)(de)交叉損(sun)耗，影響非常大。可(ke)觀察一(yi)下跑(pao)到上(shang)M級別頻(pin)率(lv)的(de)(de)開關電(dian)(dian)源，輸入電(dian)(dian)壓(ya)都是(shi)非常低(di)(di)的(de)(de)。

對于(yu)全(quan)電壓反(fan)激，100K沒問(wen)題的(de)。不(bu)要抱著頻(pin)(pin)率(lv)低，效(xiao)率(lv)高這(zhe)樣的(de)觀(guan)點去設計(ji)，其實這(zhe)種(zhong)說法(fa)不(bu)科學的(de)。頻(pin)(pin)率(lv)低，每(mei)秒鐘開關次數少，開關損耗(hao)感覺(jue)會小一些(xie)。但是(shi)這(zhe)個是(shi)有(you)前提條(tiao)件的(de)，前提條(tiao)件就是(shi)對于(yu)已經設計(ji)好的(de)變壓器，降低頻(pin)(pin)率(lv)，是(shi)可以直接觀(guan)察到效(xiao)率(lv)提高。

但是(shi)在設計初始階(jie)段，就(jiu)不一定了。頻(pin)率太低，變壓(ya)器需要較(jiao)大(da)電感量，同(tong)樣(yang)(yang)的磁(ci)芯(xin)需要更(geng)多的匝數(shu)，骨架定了，可利(li)用(yong)(yong)的窗口面積一定，那么(me)較(jiao)多的匝數(shu)就(jiu)不得不用(yong)(yong)比較(jiao)細的線徑，這樣(yang)(yang)就(jiu)不利(li)于線損控制。較(jiao)多的匝數(shu)，會有(you)更(geng)大(da)的寄(ji)生電容，造(zao)成Mos管開通電流沖過大(da)，損耗不降反增(zeng)。

其(qi)實(shi)可以(yi)(yi)在(zai)可接受(shou)的(de)(de)范圍(wei)內，盡量提高(gao)開關頻率。因為(wei)變(bian)壓(ya)器(qi)溫升(sheng)處理，很多情況下(xia)比Mos管(guan)更麻(ma)煩。較高(gao)的(de)(de)開關頻率就可以(yi)(yi)降(jiang)低所(suo)需電感量，降(jiang)低匝數，我們就可以(yi)(yi)選取(qu)更粗一些的(de)(de)線徑，同(tong)時變(bian)壓(ya)器(qi)寄生參(can)數會變(bian)得更好，假如選取(qu)合適(shi)的(de)(de)工(gong)作點，Mos管(guan)的(de)(de)溫升(sheng)完全可以(yi)(yi)保(bao)證在(zai)可以(yi)(yi)接受(shou)的(de)(de)范圍(wei)內。對于全電壓(ya)，新手不妨以(yi)(yi)65K作為(wei)起始點開始進行設計。其(qi)實(shi)全電壓(ya)的(de)(de)反激，65-110K都沒問題的(de)(de)。

新(xin)手(shou)大可以65K作(zuo)為設計出發點。

什么時候(hou)需要(yao)調整頻(pin)率(lv)呢，對于選(xuan)定(ding)(ding)的磁芯，變壓器繞(rao)不下了，在(zai)板子Outline確(que)定(ding)(ding)的情(qing)況下，不能更(geng)(geng)換更(geng)(geng)大(da)的磁芯，就需要(yao)提高工(gong)作頻(pin)率(lv)，提高了工(gong)作頻(pin)率(lv)，對于同樣的輸出(chu)功率(lv)，變壓器繞(rao)線的圈數就會變小。

注意一點，頻(pin)率(lv)變(bian)(bian)高，理論上磁芯損耗會(hui)增(zeng)加，但是(shi)實(shi)際設計中，對于工(gong)(gong)(gong)作(zuo)在(zai)第一象(xiang)限的(de)連續反激模式(shi)開(kai)關電源，磁芯損耗增(zeng)加是(shi)很有(you)限的(de)。改(gai)變(bian)(bian)電源的(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)，對整機(ji)(ji)最大的(de)影響(xiang)是(shi)改(gai)變(bian)(bian)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)，整機(ji)(ji)的(de)溫(wen)升分布(bu)會(hui)發生轉移(yi)。頻(pin)率(lv)抬高，Mos管(guan)(guan)、二極管(guan)(guan)的(de)溫(wen)升理論上會(hui)有(you)所增(zeng)加，變(bian)(bian)壓(ya)器線包溫(wen)升會(hui)下降(jiang)。

提高了開關頻率(lv)，開關管(guan)在(zai)一(yi)秒鐘內(nei)開關次數(shu)變(bian)多(duo)了，開關交叉損(sun)耗(hao)的次數(shu)也變(bian)多(duo)了，但是開關管(guan)的溫(wen)升不一(yi)定會(hui)變(bian)高。因(yin)為變(bian)壓器的寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)參數(shu)因(yin)為匝(za)數(shu)減少而(er)變(bian)得更好，寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)電容產生(sheng)(sheng)的損(sun)耗(hao)很多(duo)情況下都會(hui)有所改善。

頻率(lv)變高(gao)，次級(ji)整流二(er)(er)極(ji)管的(de)損(sun)耗會有(you)所增加，因為二(er)(er)極(ji)管寄生電容(rong)（與(yu)二(er)(er)極(ji)管并(bing)聯(lian)）的(de)存在(zai)，頻率(lv)變高(gao)，寄生電容(rong)在(zai)每秒鐘充放電的(de)次數也會隨(sui)之增加，而寄生電容(rong)放電是通過二(er)(er)極(ji)管本身放電的(de)，這個影響(xiang)也是有(you)限(xian)的(de)。

選擇合適的最大占空比

回顧一下(xia)上面寫的反(fan)激式(shi)開關電源輸入(ru)輸出(chu)關系(xi)表達式(shi)：

Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>

Ton=T*D

Voff=T*(1-D)

代入上式得(de)：

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

我們(men)對(dui)于一定的輸入輸出電(dian)(dian)壓，要確定一個合適的主回(hui)路(lu)增(zeng)益(yi)。<什(shen)么是(shi)(shi)增(zeng)益(yi)，就是(shi)(shi)Vout/Vindc(大電(dian)(dian)解電(dian)(dian)容上的電(dian)(dian)壓Vindc)>，所(suo)有的拓(tuo)撲的設計，這一步都是(shi)(shi)必不可少(shao)的。看一下與反(fan)激式主回(hui)路(lu)增(zeng)益(yi)有關(guan)的參數，占空比D與變(bian)比n。

先說占空(kong)比，D<0.5，在變比為1的情況下，主(zhu)回路增益<1，也就是說，這時候反激式電路是工作在降壓(ya)區域。占空(kong)比D>0.5，反激式工作在升(sheng)壓(ya)區域。

變比

變比對什么(me)東西有影響(xiang)呢?變比直接(jie)影響(xiang)到Mos管，輸(shu)出二(er)極管的(de)(de)電(dian)壓應(ying)力，因為我們常(chang)規(gui)產品(pin)都是(shi)市電(dian)輸(shu)入，輸(shu)出也是(shi)有標準的(de)(de)幾個檔次，常(chang)用電(dian)壓一(yi)般有5V、12V、24V、48V，這(zhe)樣子呢，世面上大(da)量供貨的(de)(de)Mos管，整流(liu)二(er)極管，也都有對應(ying)的(de)(de)型(xing)號。

所以呢，對于一定的輸入輸出電壓，我(wo)們(men)不能(neng)隨意(yi)的去選擇占空比，這個都是有(you)可取的范圍的。我(wo)們(men)先看一下Mos管的電壓應力。

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)

圖1是斷續模式的Vds和(he)次級(ji)電流對應的波形(xing)。

Mos關(guan)斷，次級(ji)(ji)二(er)極(ji)管(guan)(guan)導(dao)通，變(bian)壓(ya)器次級(ji)(ji)同(tong)名(ming)端電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)被鉗位到Vout+Vf（Vf是(shi)(shi)整流二(er)極(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)正向(xiang)壓(ya)降）。初級(ji)(ji)Mos管(guan)(guan)關(guan)斷，Mos管(guan)(guan)上(shang)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)應(ying)力(li)為(wei)Vdc加(jia)上(shang)變(bian)壓(ya)器次級(ji)(ji)反(fan)射到初級(ji)(ji)的(de)(de)反(fan)射電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。實(shi)際計(ji)算(suan)(suan)的(de)(de)時候，我們(men)(men)應(ying)該在Vdcmax這個點來進行計(ji)算(suan)(suan)，因為(wei)Mos管(guan)(guan)一定是(shi)(shi)在輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)最高的(de)(de)時候電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)應(ying)力(li)最大。當(dang)然Vds上(shang)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)應(ying)力(li)，除了我們(men)(men)計(ji)算(suan)(suan)出來的(de)(de)平臺電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，還(huan)有因為(wei)寄生(sheng)參數產生(sheng)的(de)(de)振(zhen)鈴尖峰(feng)。

所以呢，對于管子耐(nai)(nai)壓我們(men)都要(yao)留(liu)裕量的，一(yi)般我們(men)取管子標稱耐(nai)(nai)壓的80-90%，具體要(yao)看產品的客戶規格書，或(huo)者自己公(gong)司內部的要(yao)求。變比n同(tong)時還決(jue)定輸出整流二極管的電壓應力(li)，推導方法(fa)和(he)Vsd一(yi)樣(yang)，大家可(ke)以自行推導。

其實我們在實際設計中，不會單獨(du)的(de)去選取變比，而(er)是使(shi)用(yong)反激式(shi)變換(huan)器(qi)的(de)總增益公(gong)式，直(zhi)接選(xuan)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)

代入上式得：

Vout=(1/n)

這個是(shi)反激式(shi)的輸入輸出(chu)關系(xi)式(shi):

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

對于一定(ding)的輸(shu)入輸(shu)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(men)選取合適的(de)D值，就(jiu)會得到不同(tong)的(de)變比n。

(這(zhe)里需(xu)要注意，選(xuan)取(qu)占空(kong)比，是按照最(zui)(zui)低(di)輸(shu)入(ru)電(dian)壓來選(xuan)取(qu)的，因為我們必須保證在(zai)最(zui)(zui)低(di)輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓的情況下，電(dian)源(yuan)能夠(gou)帶(dai)滿載(zai)，并且需(xu)要有增(zeng)益(yi)裕量(liang)，保證動態性(xing)能。而變(bian)比的參數跟最(zui)(zui)大占空(kong)比是對(dui)應的，觀察反激式的輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)(chu)增(zeng)益(yi)公式，會(hui)發現每一個最(zui)(zui)大占空(kong)比對(dui)應一個變(bian)比。)

Vds=Vdcmax+n*(Vout+Vf)

Vd=(Vdcmax/n)+Vout

把(ba)得到的(de)變比(bi)n帶如(ru)上式(shi)，就可(ke)以得到對應的(de)Mos管(guan)電壓應力(li)（平臺(tai)），輸出(chu)二極(ji)管(guan)電壓應力(li)，根據實際(ji)可(ke)選的(de)Mos管(guan)，二極(ji)管(guan)的(de)耐壓，就可(ke)以選出(chu)合適的(de)可(ke)用占空比(bi)。

不要感(gan)覺(jue)很麻煩(fan)，實際(ji)設計(ji)過程中，很多(duo)參(can)數都需要反復迭代的(de)，但并不提倡(chang)大家進行手算。下手計(ji)算第(di)一容(rong)易出錯，第(di)二(er)，效(xiao)率(lv)很低，推薦一定要用合適的(de)軟件，比如(ru)Mathcad，Excel，把公式(shi)做成(cheng)計(ji)算表，我們只(zhi)需要根(gen)據(ju)自己(ji)的(de)分析(xi)判斷輸入參(can)數，計(ji)算由(you)電(dian)腦來完成(cheng)。

上面提及的(de)(de)(de)知識都(dou)是是否能夠充(chong)分理(li)解(jie)變(bian)壓(ya)器設(she)計(ji)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)思(si)想。希望大家能夠充(chong)分理(li)解(jie)。從事電源工(gong)程師行業，實踐經驗的(de)(de)(de)重要(yao)性要(yao)遠遠大于基礎理(li)論的(de)(de)(de)學(xue)習(xi)(xi)，知識都(dou)是在問題的(de)(de)(de)解(jie)決和(he)實踐中學(xue)習(xi)(xi)到的(de)(de)(de)，而不(bu)是對著書本死磕理(li)論得來的(de)(de)(de)。

-END-

上一條：霍爾元件的工作原理

下一條：開關電源設計的主體思想！

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