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开关电源设想流程
   发布时间:2019-08-11   浏览量:

  开关电源设想流程 做者:李瑞 开关电源设想流程 1.设想步调 1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 按照产物的要求目标,确定设想思,设想道理图; 搭尝试板验证设想的可行性,制做 PCB 印制板; 变压器的计较; 环节元件的选用; 设想验证; 样机的测试演讲,出产留意事项以及出产料单。 2.设想流程引见 2. 2.1. 按照要求输出的功率,确定电源的拓扑类型 决定拓扑选择的一个主要要素就是输入电压和输出 /输入比。此外,拓扑的选择 还取输出功率、输出电压数、输出电压调理范畴等相关。图 1 给出了常用隔离的拓 扑相对合用的范畴。 拓扑类型 全桥 半桥 双规矩激 单规矩激 推挽 反激 100 0 101 1 102 2 103 3 电压值/V 电压值/V 图 1.各类隔离拓扑使用电压范畴 1.各类隔离拓扑使用电压范畴 一般环境下,输入 220VAC 输出 5W~100W 的开关电源我们保举利用反激变换器拓 一般环境下, 5W~ 扑;要求输出功率正在 100W~200W 凡是我们利用推挽和正激变化器拓扑;要求输出功 100W~ -1- 开关电源设想流程 做者:李瑞 率较大的开关电源一般利用半桥或者全桥变换器拓扑。 2.2. 设想道理图,制做 PCB 印制板 道理图设想时招考虑全体的元件结构,使阅读者一目了然。正在 PCB 印制板设想的 道理图设想时招考虑全体的元件结构, 使阅读者一目了然。 过程中要严酷按照国度的平安尺度进行设想,同时需要沉点考虑的噪声干扰包罗:EMI 过程中要严酷按照国度的平安尺度进行设想, 同时需要沉点考虑的噪声干扰包罗: EMI 干扰、功率开关管发生的高频噪声。 PCB 板的设想过程中招考虑到地线、高压线的电流密度,功率开关管的高频线取 其它走线之间的距离,一般不小于 3mm,元件的 PCB 封拆取现实出产元件封拆分歧, 3mm,元件的 以便于出产。元件的放置合适美妙、适用的尺度;元件取元件之间应紧凑,以提高开 关电源的功率密度,降低出产成本(特殊元件除外)。 关电源的功率密度,降低出产成本(特殊元件除外) 2.3. 变压器的设想 变压器是整个开关电源的焦点器件,所以变压器的设想及验证常主要的环 节。 2.3.1. 磁芯和骨架的选择 当我们的电拓扑选定后,就要确定电的工做频次和变压器磁芯的尺寸大小, 当我们的电拓扑选定后,就要确定电的工做频次和变压器磁芯的尺寸大小, 确保正在变压器体积最小的环境先获得最大的输出功率。 起首我们确定需要的引脚数,变压器的输出、输入,辅帮绕组的引脚来确定骨架 起首我们确定需要的引脚数, 变压器的输出、 输入, 的引脚数,输出有单和多,变压器一般采用夹绕的方式以添加线圈的耦合度。 其次选择磁芯材料是次要参考材料铁损(单元一般为毫瓦 /立方厘米)随 频次和峰值磁通密度变化的曲线。大大都变压器的磁芯的材料为铁氧体,由于它有很 频次和峰值磁通密度变化的曲线。 大大都变压器的磁芯的材料为铁氧体, 高的电阻率,所以铁氧体的涡流损耗很低。 2.3.2. 按照变压器计较公式计较变压器的初级线圈匝数 变压器初级匝数计较公式: NP =Vin(min)×Ton(max)/(ΔB×Ae) in(min) on(max) NP: 变压器初级线圈的匝数。 Vin(min):输入曲流电压的最小值(V)。 输入曲流电压的最小值(V in( min) Ton(max):功率开关管导通时间的最大值(S)。 功率开关管导通时间的最大值(S on( max) Ae: ΔB: 磁芯面积(m2)。 磁芯面积(m 由磁芯本身段料决定。一般取 1600G,由于当震动频次大于 50KHz 的时候, 由磁芯本身段料决定。 1600G, 的时候, 2 高损耗材料会发生过量的磁芯损耗,这就使可选择的 Bmax 值变小,因而颠末对比 高损耗材料会发生过量的磁芯损耗, 值变小, 选择增量ΔB 的值为 1600G(1G=10-4T)。 选择增量Δ T)。 -2-4 开关电源设想流程 做者:李瑞 此中 Ton(max)=( 1/振荡频次)×D(D 为最大占空比,最大时一般取 0.45)。 1/振荡频次)× 0.45) on( max) 2.3.3. 按照公式计较变压器的次级线圈匝数 变压器次级绕组匝数计较公式: NP/NS= [Vin(min)×D]/ [VO× (1-D)] in( min) NP: NS: 初级绕组匝数。 次级绕组匝数。 Vin(min):最低输入曲流电压,一般全电压开关电源取值为 100V。 100V。 in( min) VO: D: 输出电压。 占空比,一般取值 0.45。 0.45。 2.3.4. 按照公式计较变压器的辅帮绕组 按照公式计 变压器 的辅帮绕组 压器的辅帮绕组我们能够按照输出绕组的匝数来设想,设输出电压为 VO,电源 办理芯片的供电电压要求为 VF,输出绕组的匝数为 NF,那么辅帮绕组的匝数 N 辅=VFNF/VO 因为供电电流很小,一般正在 4mA 以下,因而凡是环境下辅帮绕组不需要很粗的 漆包线mm 的漆包线即可满脚设想要求。 漆包线. 计较 变压器的初级 、次级以及辅帮绕组的线半径 变压器的初级 、次级 以及辅 帮绕组的线半径 一般环境下,为了变压器的温升不会太高,我们把变压器上的电流密度控 一般环境 下,为 了变压器的温 升不会 太高,我们把变压器上的电 制正在 4A/mm2,此时我们设电源的效率值为 0.75,颠末计较获得最低输入 电压时的电 流 0.75, 颠末计较获得最低输 电压时的 为: Iin(max)=(PO/0.75)÷Vin(min) in( max) =(P /0.75 in(min) Iin(max)=4PO/[3 Vin(min)] in( max) in(min) 那么为了把电流密度节制正在 4A/mm2 以内,我们计较线径: 那么为 了把电 我们计较 线径: R 初=sqrt[(Iin(max)÷4A/mm2)/3.14]×2 =sqrt[( in( max) /3.14]× 因而,我们采用曲径为 R 初的铜线;同理,我们求出了次级线圈的线径 R 次。有时 因而,我们采用曲径为 铜线;同理,我们求出了次级线圈的线径 可能由于次级线径比 较大,不易于出产,同时线圈的耦合度比力差 ,因而我们采用多 可能由于次级线径比 不易于出产 时线圈的耦合度比力 因而我们采用多 股并绕的体例来设想变压器。 并绕的体例来设想变压器。 2.3.6. 按照公式设想变压器的电感量及漏感量的 按照公式设想变压器的电 变压器初级电感的计较公式如下: 变压器初级电感的计 LP=Vin(min)×Ton(max)/ Iin(max) in(min) on(max) 此中 LP 为变压器的初级电感量;IP 为变压器的初级线圈的电流峰值;NP 为初 级线 为变压器的初级电感量;I 为变压器的初级线圈的电流峰值;N 圈匝数。 圈匝数 -32 2 2 开关电源设想流程 做者:李瑞 当我们设想的变压器的初级绕组的电感量过大时,我们能够添加气隙来获得我们 当我们设想的变压器的初级绕组的电感量过大时,我们能够添加气隙来获得我们 需要的感量,一般漏感的大小不大于感量的 3%,不然变压器会因为漏感太大而温升 过 需要的感量, 3%, 则变压器 因为漏感太大而温 高,同时漏劝化致的尖峰电压过高可能会使功率开关管炸裂。 高,同时 漏劝化 致的尖峰电压过高可能会 使功率开关管炸裂。 2.3.7. 按照现实我们计较 变压器的参数 按照现实我们计较 变压器的参数 电源办理芯片 SSC620D 的一般震动频次为 100KHz,按照以上的计较公式,所以: 的一般震动频次 100KHz,按照以上的计较公式,所以: 一个周期内最大导通时间:Ton(max)=10-5× 0.45S=4.5×10 -6S; 一个周期内最大导通时间:Ton( max) 0.45S=4.5× 导通最大占空比 选用的磁芯的截面积 :D=0.45; D=0.45; :Ae=118.5×10-6m2; Ae=118.5× -6 2 -5 -6 变压器的初级绕组的匝数:NP =Vin(min)×Ton(max)/( ΔB×Ae) 变压器的初级绕组的匝数:N in( min) on( max) =100V×4.5×10-6S/( 1600G×10 -4× 118.5×10 -6m2) =100V× 4.5× 1600G× 118.5× ≈ 24(圈) 24(圈) 按照公式 NP/NS= [Vin(min)× D]/ [VO×(1-D)]我们推到出次级绕组的匝数: (1-D)]我们推到出次级绕组的匝数: in( min) NS =12V×0.55×24/(100V×0.45) =12V× 0.55× 24/( 100V× 0.45) ≈ 4(圈) 辅帮绕组的匝数 :NF=VFNS/VO =13V×4/12V =13V× ≈5(圈) 最大输入的平均电流 :Iin(max)=4PO/[3 Vin(min)] in( max) in( min) =4×75W/[3×100V] =4× 75W/[3× =1A 按照电流密度不大于 4A/mm2 的尺度我们根据公式:电流密度=最大输入平均电流 的尺度我们根据公式: 电流密度= ÷绕组的截面积,据算所需要的线径。通过计较我们获得下面的参数: 初 级线mm。 次 级线 并绕。 级线mm× 并绕。 辅 帮线T,线mm。 然后我们计较变压器的初级电感量的范畴。果现实的电感量比要求的大,那么我 然后我们计较变压器的初级电感量的范畴。 果现实的电感量比要求的大, 们需要垫憩隙来减小电感量以达到我们的要求;若是现实的电感量比计较所得的电感 们需要垫憩隙来减小电感量以达到我们的要求; 量小,那么就不需要垫憩隙,按现实的电感量来设想。按照以下的公式: LP=Vin(min)×Ton(max)/ Iin(max) in(min) on(max) =100V×4.5×10-6S/1.2A =100V× 4.5× -4-6 -6 -4 -6 2 开关电源设想流程 做者:李瑞 =375uH 变压器的感量节制正在 400uH±5%范畴内,现实上我们把变压器的漏感节制正在 3% 变压器的感量节制正在 400uH± 5%范 围内,现实上我们把变压器的漏感节制正在 以内。 注 :1.变压器的漏感是由变压器线圈之间的耦合程度决定的,耦合度高那么漏感 变压器的漏感是由变压器 之间的耦合程度决定的 就小,相 应的开关管上的尖峰电压越小,电 源的空载功耗也就响应的减 小;反之亦然。 就小, 开关管上的尖峰电压越小, 源的空载 功耗也就响应 反之亦然。 2.变压器上的电流密度一般取 4A/mm2,只是个参考值,一般以现实温升为准。 .变压器上的电 只是个参考值 一般以现实温升 3.正在 110VAC~250VAC 输入的环境下,若是电容, 则容值为输出功率的 . 110VAC~ 入的环境 下,若是电 容 容值为输出功率的 3~4 倍,耐压值 为输入最高电压的 0.8~0.9 倍;若是电容并联,则 容值为输出功率的 为输入最高电压的 0.8~ 若是电 容并联 容值为输出功率的 0.8~1 倍,耐压值 为输入电压的 1.6~1.8 倍。 0.8~ 倍,耐压 为输入 电压的 1.6~ 4.这里的 Iin(max)是电源输入的峰值电流。 2 3.环节元件的选择(以下以 75W-12V 的电源为例计较) 3. 3.1. 功率开关管的选择 功率开关管的选择 就 S-75-12 的开关电源来说,我们利用 MOS 管 8N60,最大答应电流为 8A,最高 开关电源 来说, 我们利用 8N60,最大答应电流 8A,最高 电压为 600V,电流裕度 95%摆布,电压裕度 20%摆布,如许开关管的发烧量不会很高, 600V, 95%摆布,电压裕度 0%摆布,如许开关管 的发烧量不会很高, 而我们的成本也相对适中。 我们的成本也相对 3.2. 输出整流二极管的选择 出整流二极管的选择 整流二极管的选择需要考虑两方面的要素: 整流二极管的选择需要考虑两方面的要素: a:二极管的最高耐压值; :二极管的最高耐压值; b:二极管最大答应通过电流。 :二极管最大答应通过电 输 出的额定 电流 =输 出 额定功率÷输出 额定 电压,正在正在还击变换器中我们我们选 出的额 定功率÷ 电压,正在正在还击变换器中我们我们选 取整流管的额定电流和电压值时,一般是输出额定值的 4 倍以上;而正在半桥及全桥变 取整流管的额 流和电压值 倍以上; 换器中,一般拔取的整流二极管的参数是输出额定值的 2 倍以上。 3.3. 安全丝的选用 险丝的 由以上计较可知输入的峰值电流为 1.2A,输入电压最大为 250VAC,那么当我们选 由以上计 算可知输 入的峰值电 1.2A, 电压最大为 250VAC, 那么当我们选 择 安全丝的时候一般选择电流额 定值为输入最大电流的 2~3 倍,电压值稍高于输入 险丝的 候一般选择电流 定值为输入最大电 倍,电压值稍高于输 电压最大值的元件。若是电容的体积过大,我们能够选择电容来满脚设想上的要 电压最大值的元件。若是电容的体积过大, 求;若是现有的电容容量过小,我们能够采纳电容并联的体例来处理设想上的问题。 求;若是现有的电容容量过小,我们能够采纳电容并联的体例来处理设想上的问题。 3.4. 热敏电阻的选用 电阻的 -5- 开关电源设想流程 做者:李瑞 电源启动的霎时,初 级滤波电容处 于短形态, 导致输入电流比力大,虽然时间比 启动的霎时 级滤波 于短形态, 流比力 虽然时间比 较短,可是也有可能对电源形成。为 了电源平安地工做,一般需要正在开关电 可是也有可能对电源形成伤 了电源平安地工做, 一般需要正在开关电 源的输入端一个热敏电阻。热敏电阻的拔取一般环境下按照下述方式: 源的输 入端 个热敏 电阻。 电阻的 取一般环境 R≥ 1.414×E/Im 1.414× 此中 E: 输入电压的最高值。 电压的最高值。 Im:浪涌电流。一般正在开关电源中,浪涌电流 为稳态电流的 100 倍摆布。 :浪涌电 流。一般正在开关电源中,浪涌电 为稳态电流的 由此我们计较获得 R≥3.535Ω,所以我们选择型 号 NTC10D-9 的 热敏 电阻(额 定 由此我们计较获得 3.535Ω ,所以我们选择型 电阻( 10Ω, 0.25W),也能够选择阻值稍大于 4Ω的热敏电阻。 10Ω 0.25W) ,也能够选择阻值稍大于 电阻。 3.5. Y 电容和安规电容的选用 容和安规电容的选用 加 拆 Y 电容的感化是为了去除干扰。电容的选用一般按照安规要求进行拔取,这 容的感化是为 了去除干扰。电 容的选用一般按照安规 求进行 样正在 S-75-12 的电源中我们采用 400V/222M 的电 容。 源中我们采用 安 规电容的选用次要是为了滤除开关电源中的高频噪声,以防止对形成不良 规电容的选用次要是为了滤除开关电源中的高频 以防止对 影响。 3.6. 共模电感的拔取 共模电 感的选 开关电源模电感式一个主要的抗电磁干扰组件,共模电感的感化: EMI, 开关电源模电感式一个 主要的抗电 磁干扰组 共模电感的感化: EMI, 滤除 EMI,且本身不发生对电的干扰和对的辐射。 EMI,且本身不发生对电的干扰和对的辐射。 正在设想共模电感的时候我们起首考虑电流密度的大小,按照以上计较晓得:输入 设想共模电感的时候我们起首考虑电流密度的大小, 按照以上计 算晓得: 电流最大 Iin(max)=1.2A,凡是电流密度 4A/mm 2,因而我们计较获得线曲径 R 共。电感量 因而我们计较获得线 in( max) =1.2A, 凡是电 的计较如下: LMIN=XS/2∏f /2∏ 此中 LMIN:共模电感最小电感量。 共模电 感最小电 XS:共模电感,这里取 10Ω。 共模电 感,这 10Ω f:是电源的工做频次,这里取 100KHz。 :是电 源的工做频 率,这 100KHz。 然后我们假设一个磁 环的内径为 R 内,那么内圆的周长 L 内=∏R 内,圈数 然后我们假 ,那么内圆的周长 ,圈数 S=(160/360)×L 内/R 共,最初我们计较磁环的 AL 最小值: S=( 160/360) ,最初我们计较磁环 AL=LMIN/S2 由于磁芯的 AL 值变化范畴一般为±30%,因而我们选择磁芯的时候一般选择最大 化范畴 一般为 30%, 因而我们选择磁芯的时 候一般选择最 AL 值为所需要磁环的参数,即 ALMAX=1.3AL(AL 为磁环系数)。 所需要磁环 参数,即 =1.3AL( 为磁环系数) 2 2 3.7. 假负载的拔取 负载的 适 当的假负载可使线的输出愈加不变,可是假负载的阻值不克不及太小,不然会影 的假负载可使线 的输 出愈加稳 可是假负载的阻值不克不及太小, 则会影 -6- 开关电源设想流程 做者:李瑞 响效率。利用时需要留意能否跨越电阻的 额定值(一般功率裕量为电阻功率额定值的 效率。 利用时 需要留意能否跨越电阻的 定值( 一般功率裕量为电阻功率额 定值的 60%)。 60%) 3.8. 光电耦合器以及 TL431 的感化 光 电耦合器(简称光耦)次要将输出信号取样后回馈到电源办理芯片,当输出级 耦合器( 简称光耦 次要将输出信号 后回馈 源办理芯片, 当输出 的 TL431 导通后,光耦将会将输出级取样的 电流依比例转换一次到电源办理芯片的反 通后, 光耦将会将输出级取 流依比例转换一次到电 馈端,由此来确保电源输出的不变。 端,由此来 确保电源输出的稳 4.设想的验证(可分为三 个部门) 4.设想的验证(可分为 a. 设想阶段验证 设想阶段 b. 样品制做验证 品制做验证 c. QE 验证 4.1. 设想阶段验证 设想阶段 设想阶段验证的时候我们该当养成随时记实的习惯,记实下其时的尝试成果取原 设想阶段 验证的 时候我们该当养成 随时记实的习惯, 记实下 其时的 尝试成果取原 件的规格能否适合。这个阶段我们不再做细致注释,按照以上的引见进行各个阶段的 件的规 格能否适合。 这个阶段 我们不再做细致注释, 按照以上的引见进行各个阶段的 验证,记实下其时的情况,以便于改良。 验证, 记实下 其时的 情况,以便于改良。 4.2. 样品制做验证 品制做验证 样 品制做的过程中我们要对各个原件的规格进 行确认,这 些包罗:PCB 的尺寸、 品制做的过 程中我们要对各 原件的规 行确认 些包罗:PCB 零件的限高、零件禁置区、螺丝孔以及孔径、外不雅尺寸等。 零件的限高、零件禁置区 螺丝孔以及孔径、外不雅尺寸等。 样 机完成之后,首 先记实功率开关管的波形情况,记实开关管的尖峰电压、各类 机完成之后, 先记实功率开关管的波形情况, 记实开关管的尖峰电压、 负载的环境下的占空比、开关管的漏极电压值、电源的工做频次等;然后起头记实温 负载的环境下的占空比、 开关管的漏极电压值 源的工做频 率等; 然后起头记实温 升,进行 EMI 的测试,样机验证取电气规格相符。 升,进 的测试,样机验证取 电气规格相符。 4.3. QE 验证 QE 针对工程部所供给的样品做验证,工程部应供给电道理图、样 机供 QE 验证。 针对工程部所供给的样品做验证,工程部应 供电道理图、 验证。 5. 出产料单 出产留意事项以及新机测试演讲的制做 留意事项以及新机测试演讲的制做 按照样机上的组件,拾掇出出产料单; 正在测试新机的时候可能会有需要留意的操做, 按照样 机上的组 拾掇出出产 测试新机的时候可能会 有需要留意的操做, 需要正在出产留意事项中指出;新机的测试演讲是记实正在设想过程中各个环节组件的温 需要正在出产 留意事项中指出; 新机的测试演讲是记实正在设想过程中各个环节组件的温 升,整个产物效率,以及响应纹波大小的檔,这是样机的体检表,是对产物当前可能 个产物效率,以及响应纹波大小的檔, 机的体检 对产物当前可能 呈现的 问题的一个很主要的对照,所以样机测试演讲务需要实正在。 问题的一 很主要的对 照,所以样 测试演讲 需要线- 开关电源设想流程 做者:李瑞 注:1.变压器的设想除了计较以外,我们还需要留意变压器的尝试性。由于计较出来的 1.变压器的设想除了计较以外,我们还需要留意变压器的尝试性。 变压器参数不必然合适现实的要求,这就要求我们细心察看功率开关管波形,以及对变 变压器参数不必然合适现实的要求, 这就要求我们细心察看功率开关管波形, 压器的磁芯和绕组的温度的丈量。 2.对于给定磁芯,若是磁芯损耗远小于绕组损耗(初级取刺激铜损之和),我们应 2.对于给定磁芯,若是磁芯损耗远小于绕组损耗(初级取刺激铜损之和) 当削减匝数;这将添加磁通密度,磁芯损耗添加,而铜损削减,使总损耗削减。 3.相反,对于给定磁芯,若是磁芯损耗弘远于铜损耗,你应添加匝数。这将使得磁 3.相反,对于给定磁芯,若是磁芯损耗弘远于铜损耗,你应添加匝数。 通密度削减,损耗也随之削减,而铜损耗添加,总损耗削减。 4.初级和次级分派不异的窗口面积:若是匝数多,次级导线必然比力细;若是有几 4.初级和次级分派不异的窗口面积:若是匝数多,次级导线必然比力细; 个次级,按输出功率分派窗口面积。 以上留意事项为援用,仅供参考! 以上为本人工做中的堆集,若有不当,请不惜赐教! 上为本人工做中的堆集,若有不当,请 不惜赐 E-Mail: E-Mail: -8-