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1、1开关电源介绍此文档是作为张占松高级开关电源设计之后的强化培训，基于计划安排，由申工讲解了变压器设计之后，在此文章中简单带过变压器设计原理，重点讲解电路工作原理和设计过程中关键器件计算与选型。开关电源的工作过程相当容易理解，其拥有三个明显特征：开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频直流：开关电源输出的是直流而不是交流也可以输出高频交流如电子变压器1.1 开关电源基本组成部分1.2 开关电源分类：开关电源按照拓扑分很多类型：buckboost正激反激半桥全桥LLC等等，但是从本质上区分，开关电源只有两种工作方式：正激：是开关管开通时传输能量
2、，反激：开关管关断时传输能量。下面将以反激电源为例进行讲解。1.3 反激开关电源简介反激又被称为隔离buck-boost电路。基本工作原理：开关管打开时变压器存储能量，开关管关断时释放存储的能量反激开关电源根据开关管数目可分为双端和单端反激。根据反激变压器工作模式可分为CCM和DCM模式反激电源。根据控制方式可分为PFM和PWM型反激电源。根据驱动占空比的产生方式可分为电压型和电流型反激开关电源。我们所要讲的反激电源精确定义为：电流型PWM单端反激电源。1.4 电流型PWM单端反激电源此类反激电源优点：结构简单价格便宜，适用小功率电源。此类反激电源缺点：功率较小，一般在150w以下，纹波较大，
3、电压负载调整率低,一般大于5%0此类反激电源设计难点主要是变压器的设计，特别是宽输入电压，多路输出的变压器。2举例讲解设计过程为了更清楚了解设计中详细计算过程，我们将以220VAC-380VAC输入，+5V3%(5A),155%(0.5A)三路共地输出反激电源为例讲解设计过程。提出上面要求，选择思路如下：电源总输出功率P=5*5W+15*0.5*2=40W功率较小，可以选择反激开关电源。反激电源功率只有40W又属于多路输出，+5V3%,纹波士15OmV,155%5V要求精度高，所以5v作为电源主反馈。考虑到5V对15V的交叉控制能力，开关电源选用断续模式(DCM)。芯片供电线圈选用15V输出，
4、但是其功率很小，计算过程中忽略不计。电源功率较小，输入电压变化范围只有30%,所以不需要PFC电路。电源总体电路框图设计如下：图2)关电源系统框图3输入电路输入电路包括防雷单元，EMI电路和整流滤波电路。下图为常见开关电源输入回路：3.1.1 防雷单元基于压敏电阻和陶瓷气体放电管的防雷电路使用的比较多，电路简单价格便宜。MOV1,M0V2,M0V3为压敏电阻，用来吸收雷击的浪涌电压，保护后面的电路，是防雷单元的主要元件。加入保险丝F2,F3,以及气体放电管FDG的其主要是安全要求，因为压敏电阻的失效模式特点，在遭受宙击或长时间老化后，压敏电阻电压等级会降低，有可能低于电网电压，导致其功耗变大甚
5、至短路，加入保险以及气体放电管，保证压敏出现故障不会造成短路。保险丝Fl一方面是保护后面电路出现故障时断开，另一方面，它也有防雷效果，在遭受雷击时，会有浪涌电流涌入M0V3,有可能导致保险Fl断开，但是如果想要有抗雷击效果，需要使用快速保险。由于开关电源工作在高频状态及其高di/dt和高dvdt,使开关电源存在非常突出的缺点一一容易产生比较强的电磁干扰（EMI）信号。其EMl信号不但具有很宽的频率范围，还具有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。设计EMI电路是为了抑制开关电源工作产生的辐射及传导干扰对电网的影响。 EMI电路中：Cl、LlC2、C3,C4组成的
6、双n型滤波网络，Cl,C4为X电容，滤除差模干扰，C2,C3为Y2电容，滤除共模干扰。其中Ll为共模电感，能够抑制共模信号。Ll的漏感为差模电感，抑制高频差模信号。C7为Y2电容，其在整流桥电流换向时，整流桥断开，输入与滤波电容完全隔开，滤波电容以后处于悬浮状态，所以加入电容C7,在整流桥换向过程中抑制EMI。 EMI电路对电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。R1,R2是安规要求,其主要作用是为了给X电容放电。需要在较短的时间内将X电容的电压降低到安全电压一下。 当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RTI（热敏电阻）就能有效
7、的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RTl电阻上，一定时间后温度升高后RTl阻值减小（RTl是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。3.1.3整流滤波电路 交流电压经BRGl整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大，所以选着合适的C5对于系统稳定非常重要。 经验选取：一般没有PFC的380VAC开关电源C5按照L525uFw来选。按照这个标准可以满足绝大部分电源滤波要求。具体不同要根据环境温度，温度高电容要取大一些。 电容C6为一高频薄膜电容，它在整流桥换向时提供能量和回路，对电源传导干扰有明显抑制作用。以上元器件参数不是计算得到的，
8、而是进行了EMl整改和雷击实验的时候确定最终参数。对于电容C5可以选择IoOUf/35OV电解电容串联。对于上一部分设计，我们公司一般都是直流母线直接输入，所以C5选取可以小一些。4关键电路计算：功率变换是设计的关键部分，其设计过程主要包括功率元件选择和开关变压器设计，其中开关变压器设计是开关电源设计工作中最重要的部分，其设计的结果直接决定了开关电源的性能，本文主要讲解电路原理。4.1 开关变压器4.1.1 变压器设计要点对于40W的反激开关电源，变压器工作在DCM模式比较好。DCTVf横忒反激变压SS电流波形 该电源5V输出为5A,为了提高5V控制力，使用铜箔，增加耦合系数。 由于该电源设计
9、为多路共地输出，+15V与L5V双线并绕，提高交叉调节能力。 初级线圈分成两部分，使用三明治绕法，减小漏感。 铁芯：有许多厂家的铁芯可被用作反激变压器。下面的材料适合使用：PC40或PC443C853C90或3F3。反激变压器一般用E形磁芯，原因是它成本低、易使用。其它类型磁芯如EF、EFD、ETD、EER和日应用在有高度等特殊要求的场合。RM、.toroid和罐形磁芯由于安全绝缘要求的原因不适合使用。低外形设计时EFD较好，大功率设计时ETD较好，多路输出设计时EER较好。 骨架：对骨架的主要要求是确保满足安全爬电距离，初、次级穿过磁芯的引脚距离，要求以及初、次级绕组面积距离的要求。骨架要用
10、能承受焊接温度的材料制作。 绝缘胶带：聚酯和聚酯薄膜是用作绝缘胶带最常用的形式，它能定做成所需的基本绝缘宽度或初、次级全绝缘宽度。边沿胶带通常较厚少数几层就能达到要求，它通常是聚酯胶带。以上面的一个实例来讲一下计算过程。1) 确定电源规格.输入电压范围Vin=220-380Vac;2) .输出电压/负载电流:VOUtl=5VlA,Vout2=15V0.5A,Vout3=-15V0.5A;3) .变压器的效率11=0.902 .工作频率和最大占空比确定.取:工作频率fosc=100KHz,最大占空比DmaX=O.45.(取小于0.5是由退磁伏秒积决定的)Tosc=lfosc=10us.Ton(m
11、a)=0.45*25=4.5usToff=10-4.5=5.5us.3 .计算变压器初与次级匝数比n(NpNs=n).最低输入电压Vin(min)=220*V2-20=280Vdc(取低频纹波为30V).根据伏特-秒平衡,有:Vin(min)*Dmax=(Vout+Vf)*(l-Dma)*n.其中VoUt为主反馈，因为主反馈电压是稳定的，是真正控制变压器的信号推得：n=Vin(min)*Dmax/(Voutl+Vfl)*(l-Dmax)=280*0.45(5+0.8)*0.55=39.5由于5V输出电流为5A,所以5V整流二极管使用大电流肖特基，压降近似取0.8V4 .变压器初级峰值电流的计算
12、.设+5V输出电流的过流点为120%;+5v整流二极管的正向压降为0.8V和15v整流二极管的正向压降1.0V.+5V输出功率:Poutl=(Voutl+Vfl)*loutl*120%=(5+0.8)*5*1.2=34.8W+15V输出功率Pout2=(Vout2+Vf2)*lout2=16*0.5=8W-Pout3=(Vout3+Vf3)*lout3=16*0.5=8W变压器次级输出总功率Pout=Poutl+Pout2+Pout3=51W由于工作在断续模式，所以一个周期输入的能量全部输出。DCM反激变压器线圈电流波形根据能量守恒：Vin(min)*0.5*lpp*Dma*Tosc*fosc
13、=Pout/所以Ipp=Pout/(o*Vin(min)*0.5*Dmax)=51(0.9*280*0.5*0.45)=0.9A5 .变压器初级电感量的计算.由式子VdC=LP*didt,得：1.p=Vin(min)*Ton(ma)lpp=280*4.5/0.9uH=1.4mH6 .变压器铁芯的选择.根据经验式子Aw*Ae=Pt*1062*ko*kc*fosc*Bm*j*zJt:Pt(变压器的标称输出功率)=Pout=23W,Ko(窗口的铜填充系数)=0.3(电压较高KO较小)，Kc(磁芯填充系数)=1(对于铁氧体)，变压器磁通密度Bm=2700Gs,过载时Bm=3000GS,j(电流密度):
14、j=4.5Amm,Aw*Ae=51*1062*0.3*l*100*103*2700Gs*4.5*0.90=0.9cm4考虑到绕线空风选择窗口面积大的磁芯,查表：事件号名尺寸(s)布总参tCdefAr(三Umm)iAIA4nT)tft(s的)E1312.85.0IM8，3，13.8330.14162.18Z7EI616.144)11.7S.219.635.4615川，I.M53.68EI9I9.!54JJXUQ5.722.839903R.01.74143SE2020.511.0IA5.014.07.03947.1IMO63.0IJOS9.9E2210.4534.016，724.653.91320
15、S，1196.45E252S310.063&7l.76.644.547.92130A21.07110.9EE19铁氧体磁芯的有效截面积Ae=0.22cm2它的窗口面积Aw=0.50cm2EE19的功率容量乘积为Ap=Ae*Aw=O.Ilcm40.09cm4故选择EE19铁氧体磁芯满足条件7 .变压器初级匝数及气隙长度的计算.1 ).NP=LP*lppAe*Bm,得：NP=I400*0.9/(22.8*0.3)=取Np=184由Lp=uo*ur*Np2*Aelg,:气隙长度lg=uo*ur*Ae*Np2Lp=4h*10-7*184A2*22.8/1.4=0.66mm取lg=0.7mm2 ).当+
16、5V限流输出JPP为最大时(IPP=O.9A),检查Bmax.Bma=Lp*lppAe*Np=1.4*10-3*0.9/(22.8*10-6*184)=0.307T=3070Gs3300Gs老的资料上介绍的铁氧体参数已经不准确了，现在铁氧体饱和可以做到350OGS以上，部分铁氧体材质可以做到470OGS,因此变压器磁芯选择可以通过.8 .变压器次级匝数的计算.Nsl(5v)=Npn=18439.5=4.5取Nsl=5Ns2(15v)=(15+1)*Nsl(5+0.8)=13.8取Ns2=14Ns3(-15v)=(15+l)*Nsl(5+0.8)=13.8取Ns3=14故初次级实际匝比:n=18
17、05=369 .重新核算占空比Dmax和DmirL1) .当输入电压为最低时：Vin(min)=280Vdc.由Vin(min)*Dmax=(VOUtI+Vfl)*(l-Dmax)*n,得：Dma=(Voutl+Vfl)*n(Voutl+Vfl)*n+Vin(min)=0.430.45占空比合格。2) .当输入电压为最高时：Vin(max)=380*1.414=537Vdc.Dmin=(Voutl+Vfl)*n(Voutl+Vfl)*n+Vin(ma)=0.26310.重新核算变压器初级电流的峰值Ip和有效值l(rms).11.根据电流波形，求得三角波电流有效值l(rms)=lp*Sqrt(D
18、3)1) .在输入电压为最低Vin(min)和占空比为DmaX条件下，初级电流的峰值Ipp和有效值lp(rms).所以Ipp=Pout/(o*Vin(min)*0.5*Dmax)=51(0.9*280*0.5*0.43)=0.94A2) .当+5V限流输出,Ipp为最大时(IPP=O.9A),检查Bmax.Bma=Lp*lppAe*Np=1.4*10-3*0.94/(22.8*10-6*184)=0.307T=3130Gs3300Gs因此变压器初级匝数选择通过.lp(rms)=lpp*Sqrt(Dmax3)=0.94*Sqrt(0.433)=0.355A3) .次级电流有效值计算次级电流也是三
19、角波，其平均值为输出电流。所以根据面积等效法求得：lout*Tosc=0.5*lsp*Tosc*(l-D)所以Isp=lout*Tosc(0.5*Tosc*(l-D)=2*lout(l-D)ls(rms)=lsp*Sqrt(l-D)3)+5V绕组电流计算如下：lslp=2*loutl(l-Dma)=2*6(l-0.43)=21Alsl(rms)=lslp*Sqrt(l-Dma)3)=9.17A+15V绕组电流计算如下：Is2p=2*Iout2(l-Dmax)=2*0.5(l-0.43)=1.75Als2(rms)=ls2p*Sqrt(l-Dma)3)=0.764A-15V绕组计算同+15VIs
20、3p=2*Iout3(l-Dma)=2*0.5(l-0.43)=1.75Als3(rms)=ls3p*Sqrt(l-Dma)3)=0.764A12.变压器初级线圈和次级线圈的线径计算.1) .导线横截面积：前面已提到,取电流密度j=4.5mm2变压器初级线圈:导线截面积=p(rms)j=0.35A4.5Amm2=0.07mm2其中次级电流计算方法类似，这里不做过多讲解。2) .线径及根数的选取.考虑导线的趋肤效应,因此导线的线径建议不超过穿透厚度的2倍.穿透厚度=66.1*k/1/2k为材质常数,Cu在20C时k=l.=66.1/(100*103)1/2=0.20因此导线的线径不要超过0.40
21、mm.如果单根导线直径太大可以使用多只并绕，对于铜箔厚度可以取0.35mm5).变压器绕线结构及工艺.为了减小变压器的漏感,建议采取三文治绕法,而且采取该绕法的电源EMI性能比较好，另外变压器中具体的安规问题参见公司安规标准。4.2器件选型与计算4.3控制开关主回路:,-4 I ,M.IU14.3.1芯片工作原理：UC3844是一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，由该集成电路构成的开关稳压电源与一般的电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有外围电路简单、电压调整率好、频响特性好、稳定幅度大、具有过流限制、过压保护和欠压锁定等优点。该芯片的主要功能有：内部采用精度为2.0%的基准电压为5
22、.00V,具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级；振荡器的最高振荡频率可达500kHz。内部振荡器的频率同脚8与脚4间电阻Rt、脚4的接地电容Ct决定。其内部带锁定的PWM(PUlSeWidthModUIation),可以实现逐个脉冲的电流限制；具有图腾柱输出，能提供达IA的电流直接驱动MoSFET功率管。SC. OSCILLATOR FRE。UEMCY (kHFigure 3. Output Deadtime versus Oscillator FrequencyI II . Cr10 F2. Cr = SM 3 Cr 2 0 nF4 Cr1.OF 5 Cr500pF 100pF芯片频率选择:
23、&cOscillatoa11cR2、R4四个启动电阻和C2,C3组成，在电源完成启动前由启动电阻和电容给电源控制芯片UC3844供电。启动电阻选取原则：1、在母线输入最小工作电压下280VDC,流过启动电阻的电流要大于电源控制芯片UC3844启动电流（uc3844一般取0.5mA）所以电阻RRl4、C7、D5、D6组成。（详见图7）由于初级关键器件的的几个寄生参数（一次级间漏感、MOS的输出电容、二次侧二极管的结电容等），当MoS关断时，初级电流中耦合的部分转移到次级输出，但是漏感中的电流没有路径可回流，所以漏感能量会在MoS管D极形成高压击穿MoSONP1_1z630V-r,NP1,2图7变
24、压器初级RCD吸收电路4.4.1 吸收回路设计：RCD吸收回路作用就是给变压器初级漏感一条路径回流，并吸收漏感的电流。RCD吸收中，R是根据变压器漏感Lr储能来设计的，变压器漏感越大；R需要消耗的能量(Er=lpk2*Lr2)越多；R的值就越低。线绕变压器漏抗储能在5%,估算出变压器漏磁储能功率；再算出变压器反激电压，就可以用欧姆定律求出阻值了。C的选择比较宽范，只要RC积大于10-20倍周期就可以了，一般RC积不超过lmS。所以；不会断电后放不完电。这个值的选择只能估计，一般来讲50瓦三路输出IOoK反激变压器漏感必须控制在2%以内，否则漏感损耗太大，设计或做工不合理，需要重新选择更大磁芯以
25、减小漏感。根据上面变压器的计算，可以得知反射电压UR=VOUtI*n=5.8*39.5=230V,漏感功率Pr=Er*fosc=lpp2*lr2*fosc=1.2W所以电阻选用2只2W的金属氧化膜电阻器串联。阻值Rr=Um2Pr2=22K.但是最终电阻电容选择取决于变压器设计的如何，最简单实用的方法就是测量吸收电容电压。对于RCD吸收的几个器件，首先焊接一个计算值元件，然后再做调整，达到最好的要求。 二极管选择：一般使用快恢复二极管，耐压值大于1.2*(UinmaX+Vrcd) 电容电阻选择RC,R*C10Tsw20Tsw 电容电压波动小于10% 电容值电阻值选择保证VrCd电压满足1.2*(
26、Uinmax+Vrcd)Vd,如果VrCd电压太高，就减小R,如果VrCd太小，会影响效率，所以需要折中选择。4.5 输出整流及滤波:C43 NAD12 MUR460GC75 -CS1 =IOOOu.流滤波电路5VIOV 1 KX)u10VC98- 0. Iu/00一MI/001O5VQGND图8输出浊波电路反激电源输出滤波由二极管和滤波电容以及假负载组成，电路如图8所示。高电压大电流输出整流二极管需要加入RC吸收二极管电压尖峰(图中R36C43)。并接在二极管两端的阻容串联元件在二极管开通或关断过程中,电压发生突变时,通过电阻对电容的充电将明显减缓电压变化率整流二极管加入RC滤波以后，电压尖
27、峰降低了，振铃震荡也抑制住了.选择合适的RC对电源可靠性及EMI/EMC很重要。C上的电压在初级MoS开通后到稳态时的电压为Vo+Ui/N,因为我们设计的RC的时间参数远小于开关周期，可以认为在一个吸收周期内，RC充放电能到稳态，所以每个开关周期，其吸收损耗的能量为：次级漏感尖峰能量+RC稳态充放电能量，近似为RC充放电能量=C*(Vo+Ui/N)A2。但是C取值也是无法精确计算的，根据经验值，一般R36为2w阻值在IOoC以内金属膜电阻。C43一般为高压瓷片电容，选取IOn以内。由于本电源功率较小频率IOoK,所以R36可以使用IOQ,电容使用4只1206贴片Inf高压瓷片电容。但是具体值的
28、加大还是减小需要还是需要实际测量。取值办法一般使用先确定电容，再确定电阻。在不同输入电压下，再验证参数是否合理，最终选取合适的参数。4.5.1 整流二极管原理与设计图8中D12是整流二极管。开关电源输出整流二极管需要满足温升和耐压值要求,解决温升一般原则是尽可能使用肖特基二极管，或者选用电流更大的二极管，另外整流二极管本身就是一热源要注意散热，不能放在发热元件附近。二极管耐压值选择一般要大于两倍的反激电压，如果加入RC吸收电路来吸收二极管尖峰，可以选择耐压值大于1.5倍反激电压的二极管。所以5V可以选择40伏肖特基二极管。对以5V来讲，其输出电流最大为6A,最大峰值为21A,所以二极管可以选择
29、2045两只并联,这样可以减小导通压降，降低损耗。4.5.2 滤波电容原理与设计图8中C57、C75为反激电源输出滤波电容，这些电容都是电解电容，电解电容ESR比较大，所以主要考虑电容ESR对输出电压纹波的影响。另外电解容量一般比较容易做大，所以一般不需要考虑容量对纹波的影响。电解电容属于易老化器件，所以要考虑长期可靠工作需要满足工作电压低于80%额定电压。另外还要考虑电解电容温升，计算温升比较复杂，一般可靠的选取原则是电容电流IrmS不要超过电容规格书给定的的最大IrmSO对于5V输出，其有效值前面己经计算ISirmS=9A,所以电容可以选用10v2200uf（每只可以吸收1.3A电流）7只
30、并联。然后由于纹波士15OmV要求，所以要求滤波电容的并联ESR需要小于15OmV/ISiP=I50mv21A=7mQ07只20电容并联电阻为：62m7=8.8mo但是实际工作过程中，电容温度会较高，所以电阻会低于8.8mC0基本可以满足要求。4.5.3 假负载原理与设计图8中R59、R60为假负载，其大小是由辅助绕组的供电决定，如果假负载太轻，那么电源输出空载时辅助绕组得不到足够供芯片UC3844工作的能量，电源会打嗝。另外适当加大假负载会提高电源动态和交叉调节能力。在调试电源中如果出现打嗝现象，可以加大假负载再调试。此电源所有输出都应该加入假负载，尤其是15V,如果假负载太轻，容易造成电压
31、漂高。5、电源保护电路5.3.1短路保护电路1、在输出端短路的情况下，PWM控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时,只有另增设一部分电路。2、短路保护电路通常有两种，下图是小功率短路保护电路,其原理简述如下：UC3842(D当输出电路短路，输出电压消失，光耦0T1不导通，UC3842脚电压上升至5V左右，R1与R2的分压超过TL431基准，使之导通，UC3842脚VCC电位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后脚电位消失，TL431不导通UC3842脚电位上升，UC3842重新启动,周而复始。当短路现象消失后,电路可以自动
32、恢复成正常工作状态。3、下图是中功率短路保护电路，其原理简述如下:图1.2当输出短路，UC3842脚电压上升,U1脚电位高于脚时，比较器翻转脚输出高电位，给Cl充电，当Cl两端电压超过脚基准电压时Ul脚输出低电位，UC3842脚低于IV,UCC3842停止工作，输出电压为OV,周而复始，当短路消失后电路正常工作。R2、C1是充放电时间常数，阻值不对时短路保护不起作用。4、下图是常见的限流、短路保护电路。其工作原理简述如下：当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3两端电压降增大，脚电压升高，UC3842脚输出占空比逐渐增大，脚电压超过IV时,UC3842关闭无输出。5、下图是用电流互感器取
33、样电流的保护电路，有着功耗小，但成本高和电路较为复杂，其工作原理简述如下：输出电路短路或电流过大，TR1次级线圈感应的电压就越高,当UC3842脚超过1伏，UC3842停止工作,周而复始，当短路或过载消失，电路自行恢复。5.3.2 输出端限流保护上图是常见的输出端限流保护电路，其工作原理简述如上图：当输出电流过大时，RS（镒铜丝）两端电压上升，Ul脚电压高于脚基准电压,Ul脚输出高电压,Q1导通，光耦发生光电效应，UC3842脚电压降低，输出电压降低，从而达到输出过载限流的目的。5.3.3 输出过压保护电路的原理输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用最为普
