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【我是工程师】一步一步精通单端反激式开关电源设计(计算公式追根溯源,设计原理深入分析、设计过程详细讲解)

从事电源产品设计的历程,感触颇深,借着这篇文章主要想总结一下这些年来自己在单端反激式开关电源设计方面的一些经验和技巧,期间走了太多的弯路,也吸取了很多的教训,当然也仍然有很多的不解,由于主题涉及的知识面比较广,内容篇幅也比较多,先来个框架,我们大家一起来一步一步学习反激式开关电源的设计,欢迎大家猛烈拍砖,如有纰漏还请大神们指正~ 

★ 一步一步精通单端反激式开关电源设计计算工具V1.8 (持续优化中)★★★★★★★(391楼)

■步骤1_确定应用需求(2楼)

           _实例(139楼)

■步骤2_根据应用需求选择反馈电路和偏置电压(5楼)

           _实例(140楼)

■步骤3_确定最小和最大直流输入电压VMINVMAX,并基于输入电压和PO选择输入存储电容CIN的容量(6楼) 

       3.1、选择输入存储电容CIN的容量

       3.2确定最小和最大直流输入电压VMINVMAX.

           _实例(141楼)

■步骤4_输入整流桥的选择(8楼)

           _实例(145楼)

■步骤5_确定反射的输出电压VOR以及钳位稳压管电压VCLO(9楼)

           _实例(150楼)

■步骤6_对应相应的工作模式及电流波形设定电流波形参数KP:当KP1时,KP=KRP;KP1时,KP=KDP(15楼)

           _实例(151楼  

■步骤7_根据VMINVOR确定DMAX(16楼)

           _实例(152楼

■步骤8_算初级峰值电流IP、输入平均电流IAVG和初级RMS电流IRMS(17楼)

           _实例(153楼)

■步骤9_基于AC输入电压,VOPO以及效率选定MOS管芯片(18楼)

           _实例(154楼)

■步骤10_设定外部限流点降低的ILIMIT降低因数KI(19楼)

           _实例(155楼

■步骤11_通过IPILIMIT的比较验证MOS芯片选择的正确性(20楼)

           _实例(156楼)

■步骤12_计算功率开关管热阻选择散热片验证MOS芯片选择的正确性(21楼)

           _实例(157楼

■步骤13_计算初级电感量LP(22楼)

           _实例(158楼

■步骤14_选择磁芯和骨架,再从磁芯和骨架的数据手册中得到AeleAL,和BW的参考值(28楼)

           _实例(159楼)

■步骤15_根据初级电感量大小以及磁芯参数计算初级绕组圈数NP(31楼)

           _实例(162楼)

■步骤16_计算次级绕组圈数NS以及偏置绕组圈数NB(32楼)

           _实例(163楼

■步骤17_确定初级绕组线径参数ODDIAAWG(33楼)

           _实例(166楼

■步骤18_步骤23-检查BMCMA以及Lg。如果有必要可以通过改变LNPNS或磁芯/骨架的方法对其进行迭代,直到满足规定的范围(34楼)

           _实例(167楼

■步骤24 –确认BP4200高斯。如有必要,减小限流点降低因数KI35楼

           _实例(179楼

■步骤25 –计算次级峰值电流ISP36楼

           _实例(180楼

■步骤26 –计算次级RMS电流ISRMS45楼

           _实例(181楼

■步骤27 –确定次级绕组线径参数ODSDIASAWGS48楼

           _实例(182楼

■步骤28 –确定输出电容的纹波电流IRIPPLE49楼

           _实例(184楼

■步骤29 –确定次级及偏置绕组的最大峰值反向电压PIVS,PIVB50楼

           _实例(185

■步骤30 –根据VRID选择输出整流管(51楼)

           _实例(186

■步骤31 –输出电容的选择66楼

           _实例(188

■步骤32 –后级滤波器电感L和电容C的选择70楼

           _实例(189

■步骤33 –从表10选择偏置绕组的整流管83楼

           _实例(190

■步骤34 –偏置绕组电容的选择85楼

           _实例(191

■步骤35 –控制极引脚电容及串联电阻的选择86楼

           _实例(192

■步骤36 –根据图3456中所示的参考反馈电路的类型,选用相应的反馈电路元件88楼

           _实例(193

步骤37 –环路动态补偿设计,以TOP-GX系列芯片为例

      37.1 、TL431工作条件分析95楼

      37.2 、零极点基础知识96楼

      37.3 、TOPSWITCH控制环路分析基础知识98楼

      37.4 、TOPSWITCH控制环路分析100楼

一步一步精通单端反激式开关电源设计计算工具V1.1与PI EXPERT设计结果验证对比报告(312~313楼

*电路调试问题总结

      一、解决MOS管温升过高问题(202楼)

      二、解决输出整流管温升过高问题(210楼)

      三、解决上电时输出过冲幅度太大的问题(211楼)

      四、解决输出电压100HZ工频纹波太大的问题(212楼)

      五、解决高频变压器温升过高问题(215楼)

      六、提高开关电源效率问题(216楼)

      七、解决变压器高频啸叫问题(220楼)

      八、以初级峰值电流为例验证设计裕量的重要性(226楼)

      九、关于SOT-23封装和TO-92封装TL431使用心得(232楼)

      十、最坏条件测试一——最大漏极电压(233楼)

      十一、最坏条件测试二——最大漏极电流(234楼)

      十二、最坏条件测试三——主要功率元件热检查(235楼)

      十三、对制成成品后的开关电源板进行三防漆喷漆工艺处理272楼

      十四、关于变压器开气隙位置的建议275楼

      十五、关于变压器开气隙方式的建议276楼

      十六、关于匝比不变的情况下增加和减少变压器匝数的影响284楼

      十七、从开关应力角度深入理解反射电压VOR的选择范围290楼

      十八、关于工程上磁芯开气隙的大小建议293楼

      十九、关于峰值磁通密度验证时的大小建议295楼

      二十、关于计算绕组匝数时使用的最大交流工作磁通密度BM和最后设计验证时验证的BM的关系296楼

      二一、关于选用绕组线径大小和绕组股数层数的建议308楼

      二十二、关于计算初级绕组电感量时使用储能方程式还是脉动电流方程式的问题360楼

      二十三、输出二极管RC吸收电路的参数设计(待验证)399楼

*PCB LAYOUT几点注意事项

      PCB LAYOUT技巧一:关于浪涌防护电路(237楼)

      PCB LAYOUT技巧二:关于L和N走线层的建议(238楼)

      PCB LAYOUT技巧三:关于散热片下方走线时建议打白油处理(241楼)

      PCB LAYOUT技巧四:关于用多个元件串并联代替单个元件的建议(245楼)

      PCB LAYOUT技巧五:建议设计时预留关键测量信号的测试点(246楼)

      PCB LAYOUT技巧六:建议通用件至少预留两种通用封装(251楼)

      PCB LAYOUT技巧七:对绝缘耐压有要求的场合或大的功率元件下方PCB板建议间隔性开孔处理(270楼)

      PCB LAYOUT技巧八:正确选择单点接地(271楼)

*电气参数测量注意事项

      一、MOSFET开关管漏极电压的测量(252楼)

      二、测量整流桥输出电压(253楼)

      三、测量电源效率的测量方法(254楼)

      四、主要功率元件温升的测量(256楼)

      五、输出纹波测试注意事项(258楼)

      六、输出电压上升/下降时间测试注意事项(262楼)

*实例常规性能测试结果

      一、实例功率因素、效率和能效测试结果(259楼)

      二、实例输出纹波测试结果(260楼)

      三、实例输出电压上升/下降时间测试结果(261楼)

      四、实例输出过冲幅度测试结果(263楼)

      五、实例MOS开关管漏极、栅极工作波形测试结果(264楼)

      六、实例输出过流保护测试结果(265楼)

      七、实例输出短路保护测试结果(266楼)

      八、实例负载调整率测试结果(269楼)

※附件1—— 《一步一步精通单端反激式开关电源设计》WORD版(119楼)

※附件2—— 实例讲解原理图(SCH)设计源文件(194楼)

※附件3——TDK磁性材料与骨架参考资料(183楼)

备注1—— 关于散热片热阻和面积的简单关系(122楼)

备注2—— 波特图绘制软件MATHCAD15下载链接(277楼)

备注3—— 很好的开关电源入门软件PIExpertSuiteSetup64下载链接(278楼)

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2015-04-30 23:20

步骤1_确定应用需求。

首先在设计之前需要简单的了解下单端反激式开关电源需要确定哪些应用及设计需求:

1.1、流输入最小电压:VACMIN,单位V;交流输入最大电压:VACMAX,单位V

交流输入电压大小主要受限于国家电网单相市电输出标准,常见的交流电压输入范围有:

⑴宽电压范围:AC85~265V;⑵230或115倍压整流:AC195~265V;⑶自定义输入范围;

1.2、交流输入电压频率:FL,单位HZ

50HZ或者60HZ,详细信息可百度下世界电网频率表即可。本例设计取50HZ

1.3、开关频率:FS,单位KHZ

   大于20KHZ,常用50KHZ~200KHZ,具体由开关芯片决定。

1.4、输出电压:Vo,单位V

   取决于用户应用需求,主要由负载工作电压决定

1.5、输出电流:IO,单位A

  取决于用户应用需求,主要由负载工作电流决定

1.6、电源效率:η 

低电压(5V以下)输出时,效率可取75%

中等电压(5V12V之间)输出时,可选80%

高压(12V以上)输出时,效率可取85%

可参考开关芯片厂商数据手册建议,如果没有更好的参考依据,可以使用80%~85%

1.7、负载调整率:SI

   参考开关芯片产品规格书,例PI公司的TOP246Y提供4重负载调整率:±10%,±2.5%,±1%,±0.2%

1.8、损耗分配因子:Z

   如果Z  =  1,说明所有损耗都在次级侧。如果Z  =  0,说明所有损耗都在初级侧。如果没有更好的参考数据,可以使用Z = 0.5。

1.9、空载功率损耗:P_NO_LOAD,单位MW

   可参考开关芯片厂商数据手册建议。

1.10、输出纹波电压:VRIPPLE,单位MV

  小于200MV,具体大小取决于用户实际需求和该开关电源具体的应用领域。

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2015-05-01 09:36
@jianjun8410
步骤1_确定应用需求。首先在设计之前需要简单的了解下单端反激式开关电源需要确定哪些应用及设计需求:1.1、流输入最小电压:VACMIN,单位V;交流输入最大电压:VACMAX,单位V交流输入电压大小主要受限于国家电网单相市电输出标准,常见的交流电压输入范围有:⑴宽电压范围:AC85~265V;⑵230或115倍压整流:AC195~265V;⑶自定义输入范围;1.2、交流输入电压频率:FL,单位HZ50HZ或者60HZ,详细信息可百度下世界电网频率表即可。本例设计取50HZ1.3、开关频率:FS,单位KHZ  大于20KHZ,常用50KHZ~200KHZ,具体由开关芯片决定。1.4、输出电压:Vo,单位V  取决于用户应用需求,主要由负载工作电压决定1.5、输出电流:IO,单位A  取决于用户应用需求,主要由负载工作电流决定1.6、电源效率:η 低电压(5V以下)输出时,效率可取75%;中等电压(5V到12V之间)输出时,可选80%;高压(12V以上)输出时,效率可取85%;可参考开关芯片厂商数据手册建议,如果没有更好的参考依据,可以使用80%~85%1.7、负载调整率:SI  参考开关芯片产品规格书,例PI公司的TOP246Y提供4重负载调整率:±10%,±2.5%,±1%,±0.2%1.8、损耗分配因子:Z  如果Z = 1,说明所有损耗都在次级侧。如果Z = 0,说明所有损耗都在初级侧。如果没有更好的参考数据,可以使用Z=0.5。1.9、空载功率损耗:P_NO_LOAD,单位MW  可参考开关芯片厂商数据手册建议。1.10、输出纹波电压:VRIPPLE,单位MV 小于200MV,具体大小取决于用户实际需求和该开关电源具体的应用领域。
放假不愁没的看啦
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2015-05-01 10:13
@电源网-天边
放假不愁没的看啦

白天出去转转,晚上回来继续写

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2015-05-01 18:17
@jianjun8410
白天出去转转,晚上回来继续写[图片]

步骤2_根据应用需求选择反馈电路和偏置电压

同样以PI公司的TOP系列芯片为例,其他品牌开关芯片的选取原则同样可以基于此原则。首先解释个名词术语:

2.1、负载调整率

百度百科是这样解释的:

负载调整率 (LOAD REGULATION)
电源负载的变化会引起电源输出的变化,负载增加,输出降低,相反负载减少,输出升高。好的电源负载变化引起的输出变化较小,通常指标为3%--5%。
负载调整率是衡量电源好坏的指标。好的电源输出接负载时电压降较小。
负载调整率=(空载时输出电压-满载时输出电压)/(额定负载时输出电压)*100%
这是稳压电源的一项重要指标,体现当负载电流变化时稳压电源的输出电压相应的变化情况,通常以输出电流从0变化到额定最大电流时,输出电压的变化量和输出电压的百分比值来表示。例如某5V直流稳压电源的输出电流从0增加到最大电流1A,它的输出电压从5.00V降到了4.50V,降落值0.5V除以标称输出电压5V,得到10%,这就是该电源的负载调整率。
2.2、反馈电路和偏置电压参考

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2015-05-01 18:38
@jianjun8410
步骤2_根据应用需求选择反馈电路和偏置电压同样以PI公司的TOP系列芯片为例,其他品牌开关芯片的选取原则同样可以基于此原则。首先解释个名词术语:2.1、负载调整率百度百科是这样解释的:负载调整率(LOADREGULATION)电源负载的变化会引起电源输出的变化,负载增加,输出降低,相反负载减少,输出升高。好的电源负载变化引起的输出变化较小,通常指标为3%--5%。负载调整率是衡量电源好坏的指标。好的电源输出接负载时电压降较小。负载调整率=(空载时输出电压-满载时输出电压)/(额定负载时输出电压)*100%这是稳压电源的一项重要指标,体现当负载电流变化时稳压电源的输出电压相应的变化情况,通常以输出电流从0变化到额定最大电流时,输出电压的变化量和输出电压的百分比值来表示。例如某5V直流稳压电源的输出电流从0增加到最大电流1A,它的输出电压从5.00V降到了4.50V,降落值0.5V除以标称输出电压5V,得到10%,这就是该电源的负载调整率。2.2、反馈电路和偏置电压参考[图片][图片][图片][图片]

步骤3_确定最小和最大直流输入电压VMIN和VMAX,并基于输入电压和PO选择输入存储电容CIN的容量 

3.1、选择输入存储电容CIN的容量

⑴输入滤波电容器容量的选择(简单估算)

为降低整流滤波器的输出纹波,输入滤波电容器的容量CI必须选的合适。令每单位输出功率(W)所需输入滤波电容器容量(μF)的比例系数为k,当交流电压u=85~265V时,应取k=(2~3)μF/W;当交流电压u=230V(1±15%)时,应取k=1μF/W。输入滤波电容器容量的选择方法详见附表l,Po为开关电源的输出功率。

⑵输入滤波电容器容量的选择(准确计算)

准确计算输入滤波电容器容量的方法输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CI值选得过低,会使UImin值大大降低,而输入脉动电压UR却升高。但CI值取得过高,会增加电容器成本,而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。

①   对于正常输入电压范围:输入电压为AC195-265V,那么最低输入电压为AC195V,在该输入电压的情况下,整流后输出电压峰值一般为195*√2=275V,输入电容的选择一般根据整流后最低输出电压来计算,如果我们考虑整流后最低输出电压为240V,则有

195×1.414sinwt=240,可以计算wt=61,可以计算出在单个脉动周期内,

②   对于宽输入电压范围:输入电压为AC85-265V,那么最低输入电压为AC85V,在该输入电压的情况下,整流后输出电压峰值一般为85*√2=120V,输入电容的选择一般根据整流后最低输出电压来计算,如果我们考虑整流后最低输出电压为90V,则有85×1.414sinwt=90,可以计算wt=49,可以计算出在单个脉动周期内,

③   

综上:设计合理。

一般设计时,设定桥式整流管连续导通时间tc = 3ms,则放电时间为7ms

3.2、确定最小和最大直流输入电压VMIN和VMAX.

考虑到铝电解电容 20%的容量误差和容量会随着时间推移逐渐减少,根据上面计算再综合考虑选择合适的电容容量后,就可以确定最小和最大直流输入电压VMINVMAX了,同理由以上公式2变形公式得:

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2015-05-01 18:40
@jianjun8410
步骤3_确定最小和最大直流输入电压VMIN和VMAX,并基于输入电压和PO选择输入存储电容CIN的容量 3.1、选择输入存储电容CIN的容量⑴输入滤波电容器容量的选择(简单估算)为降低整流滤波器的输出纹波,输入滤波电容器的容量CI必须选的合适。令每单位输出功率(W)所需输入滤波电容器容量(μF)的比例系数为k,当交流电压u=85~265V时,应取k=(2~3)μF/W;当交流电压u=230V(1±15%)时,应取k=1μF/W。输入滤波电容器容量的选择方法详见附表l,Po为开关电源的输出功率。[图片]⑵输入滤波电容器容量的选择(准确计算)准确计算输入滤波电容器容量的方法输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CI值选得过低,会使UImin值大大降低,而输入脉动电压UR却升高。但CI值取得过高,会增加电容器成本,而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。[图片][图片][图片][图片]①  对于正常输入电压范围:输入电压为AC195-265V,那么最低输入电压为AC195V,在该输入电压的情况下,整流后输出电压峰值一般为195*√2=275V,输入电容的选择一般根据整流后最低输出电压来计算,如果我们考虑整流后最低输出电压为240V,则有由195×1.414sinwt=240,可以计算wt=61,可以计算出在单个脉动周期内,[图片]②  对于宽输入电压范围:输入电压为AC85-265V,那么最低输入电压为AC85V,在该输入电压的情况下,整流后输出电压峰值一般为85*√2=120V,输入电容的选择一般根据整流后最低输出电压来计算,如果我们考虑整流后最低输出电压为90V,则有由85×1.414sinwt=90,可以计算wt=49,可以计算出在单个脉动周期内,[图片]③  [图片]综上:设计合理。一般设计时,设定桥式整流管连续导通时间tc=3ms,则放电时间为7ms;3.2、确定最小和最大直流输入电压VMIN和VMAX.考虑到铝电解电容20%的容量误差和容量会随着时间推移逐渐减少,根据上面计算再综合考虑选择合适的电容容量后,就可以确定最小和最大直流输入电压VMIN和VMAX了,同理由以上公式2变形公式得:[图片]
吃饭去了,晚上继续
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2015-05-01 21:25

步骤4_输入整流桥的选择

50HZ交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u1,再通过输入滤波电容得到直流高压U1。在理想情况下,整流桥的导通角本应为180度(导通范围从0~180度),但由于滤波电容器C的作用,仅在接近交流峰值电压处的很短时间内,才有输入电流经过整流桥对C充电。50HZ交流电的半周期时间为10ms,整流桥的导通时间tc3ms,其导通角仅为54度(导通范围是35~90度)。因此,整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整流滤波电路的原理如图1(a)所示,整流滤波电压及整流电流的波形分别如图1(b)1(c)所示。

整流桥的主要参数有反向峰值电压UBR(V),正向压降UF(V),平均整流电流Id(A),正向峰值浪涌电流IFSM(A),最大反向漏电流IR(uA)。整流桥的反向击穿电压UBR应满足下式要求:

举例说明,当交流输入电压范围是85~132V时,umax=132V,由式(1)计算出UBR=233.3V,

可选耐压400V的成品整流桥。需要指出,假如用4只硅整流管来构成整流桥,整流管的耐压值还应进一步提高。譬如可选1N4007(1A/1000V)1N5408(3A/1000V)型塑封整流管。这是因为此类管子的价格低廉,且按照耐压值“宁高勿低”的原则,能提高整流桥的安全性与可靠性。

   选择平均整流电流IAVG

方法一:

设交流输入有效值电流为IRMS,计算IRMS的公式如下:

式中,PO为开关电源的输出功率,η为电源效率,μmin为交流输入电压的最小值,cosφ为开关电源的功率因数,允许cosφ=0.5~0.7。由于整流桥实际通过的不是正弦波电流,而是窄脉冲电流,因此整流桥的平均整流电流Id

   例如,设计一个7.5V/2A(15W)开关电源,交流输入电压范围是85~265V,要求η=80%。将Po=15W、η=80%、umin=85V、cosψ=0.7一并代入(2)式得到,IRMS=0.32A,进而求出Id=0.65×IRMS=0.21A。实际选用lA/600V的整流桥,以留出一定余量。

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2015-05-01 21:48

步骤5_确定反射的输出电压VOR以及钳位稳压管电压VCLO

5.1 VOR的确定

当开关管断开,变压器能量传输时,次级线圈电压通过匝比反射到初级的电压即为反射电压。VOR一般在80V~135V之间选取,选取应符合以下规则:

(1)VOR越高,可减小输入电容的容值,提高低压时的能量传输;

原因:

根据伏秒积定律有:(VMIN-VDS)*TON=VOR*TOFF

VOR越高,DMAX越大,可减小输入电容的容值,提高低压时的能量传输。

(2)VOR越高,增加变压器的漏感,降低效率,EMI增大;

原因:

(3)VOR大于135V,容易把开关管击穿,VOR小于80V容易引起开关管在启动时的保护。

原因:

5.2 确定RCD+Z钳位的大小

注意:

①    VRCD是计算出理论值,再通过实验进行调整,使得实际值与理论值相吻合. 

②    VRCD必须大于VOR1.3倍.(如果小于1.3倍,则主MOS管的VD值选择就太低了)

③    MOSVD应当小于VDC2倍.(如果大于2倍,则主MOS管的VD值就过大了)

④    如果VRCD的实测值小于VOR1.2倍,那么RCD吸收回路就影响电源效率。 

⑤    VRCD是由VRCD1VOR组成的 

⑥    RCD吸收回路的R值越小,开关电源的效率越低;R值越大,MOS功率管有可能被击穿。

1.测量变压器的初级漏感Lik

初级绕组的漏感量可以通过测试来获得,常用方法是,短路各个次级绕组测试此时的初级绕组的感量,这个值就是初级绕组的漏感量。需要注意的是,测试频率应采用变换器的工作频率。 

当然,批量生产时不可能采取逐个测试的方法,这时,可确定一个百分比来估计整个批次的漏感值,这个百分比通常是在1%--5%

2.确定设计的电源的开关频率fs

3.确定正确的峰值初级电流IP

4.确定初级MOSFET 所允许的总电压,并根据以下公式计算

5.确定箝位电路的电压纹波Vdelta

(注释:建议典型值应为 Vmaxclamp10% 。)

6.根据以下公式计算箝位电路的最小电压: 

 V minclamp = V maxclamp - V delta

7.根据以下公式计算箝位电路的平均电压Vclamp 

 V clamp = V maxclamp - V delta/2

8.根据以下公式计算漏感中贮存的能量:

   16.应使用快速或超快恢复二极管,将其用作箝位电路中的阻断二极管。

(注释:在有些情况下,使用标准恢复二极管有助于提高电源效率及 EMI 性能。用作此用途的标准恢复二极管必须列明指定的反向恢复时间。使用这种二极管时应特别注意,确保其反向恢复时间低于可接受的限值。如果未经全面评估,不建议批准基于标准恢复二极管的设计。) 

   17.  阻断二极管的峰值反向电压值应大于:1.5*Vmaxclamp

   18.  阻断二极管的正向反复峰值电流额定值应大于IP ,如果数据手册中未提供该参数,则平均正向电流额定值应大于:0.5*IP

 (注释:二极管的平均正向电流额定值可指定为较低值,它主要受热性能的约束。应在稳态工作期间及最低输入电压条件下测量阻断二极管的温度,以确定其额定值是否正确。散热性能、元件方位以及最终产品外壳都会影响到二极管的工作温度。)

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jianjun8410
LV.7
10
2015-05-01 21:57
发现发帖时对数学公式的支持不是很好,所以很多有公式相关的地方我都是在自己的电脑上用WORD处理好后,然后采用截图的办法上传上来,不知道有什么好的办法。。。
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2015-05-02 10:34
@jianjun8410
发现发帖时对数学公式的支持不是很好,所以很多有公式相关的地方我都是在自己的电脑上用WORD处理好后,然后采用截图的办法上传上来,不知道有什么好的办法。。。

看到这么好的帖子先顶一个!

您说的帖子中输入公式的问题记下啦,我们会看看有什么好的解决方法没有。

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jianjun8410
LV.7
12
2015-05-02 10:50
@电源网-fqd
看到这么好的帖子先顶一个!您说的帖子中输入公式的问题记下啦,我们会看看有什么好的解决方法没有。
目前网上也有很多类似的资料,但个人觉得都不够基础,不够深入,不够追根溯源,所以总结了一下,虽然有部分资料也参考了网上的资源,但是都在自己理解的基础上加以了深入的剖析,个人觉得非常适合反击式开关电源设计的初学者以及为进一步深入学习的电源工程师做铺垫,后面还有很多设计过程,这几天有空慢慢整理,呵!
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jianjun8410
LV.7
13
2015-05-02 10:55
@电源网-fqd
看到这么好的帖子先顶一个!您说的帖子中输入公式的问题记下啦,我们会看看有什么好的解决方法没有。

输入公式要是能像WORD那样有个数学公式的组件就好了,再或者只要支持能从WORD里编辑好粘贴过来也行。现在的问题是WORD里编辑好的公式粘贴过来后会丢东西,比如根号什么的粘贴过来后就没有了,所以目前采用的傻办法,WORD里编辑好后用截图的方式粘贴过来的

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2015-05-02 11:36
@jianjun8410
输入公式要是能像WORD那样有个数学公式的组件就好了,再或者只要支持能从WORD里编辑好粘贴过来也行。现在的问题是WORD里编辑好的公式粘贴过来后会丢东西,比如根号什么的粘贴过来后就没有了,所以目前采用的傻办法,WORD里编辑好后用截图的方式粘贴过来的
好嘀,记下啦
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jianjun8410
LV.7
15
2015-05-02 19:35

步骤6_对应相应的工作模式及电流波形设定电流波形参数KP:当KP1时,KP=KRP;KP1时,KP=KDP  

KP用以表征开关电源的工作模式(连续、非连续)。连续模式时KP小于1,非连续模式KP大于等于1. KP较小,意味着更为连续的工作模式和较大的初级电感量,且初级的IP和IRMS值较小,此时可选用较小功率的MOSFET,但高频变压器体积相对要大;反之,当选取的KP较大时,表示连续性较差,此时高频变压器体积相对较小,但需要较大功率的功率开关。在输入电压和输出功率相同时,连续模式的初级电感量大约是不连续模式的4倍。设计成连续模式,初级电路中的交流成分要比不连续模式少,可减小MOSFET和高频变压器的损耗,提高电源效率,但工作环路稳定性不好控制,许多设计师宁可采用非连续状态(KP=1.0)设计,这样控制环路较容易稳定。对于KP的选取需要根据实际不断调整取最佳。

对于KP的选取,一般由最小值选起,即当电网入电压为100 VAC/115 VAC或者通用输入时,KP=0.4;当电网输入电压为230 VAC时,取KP=0.6,非连续模式设计当中,设定KP=1,KP值必须在表5所规定的范围之内。

下面从几个方面来讨论两种模式的优缺点。

   (1)功率元器件的选择

在DCM模式下,初级电流和次级电流的大小是CCM模式下的两倍多,大的峰值电流需要电流应力比较高的MOSFET和二极管,这样势必会增加元器件的成本,因此如果从功率元器件的选择方面来进行比较的话,选择CCM模式会比DCM模式占优势。

   (2)变压器体积。

从铁心窗口面积与截面积的乘积的比值可以看出,DCM模式下的反激式变压器要比CCM模式下的反激式变压器小很多。但是在实际应用中,由于DCM模式下的磁密变化幅度比CCM模式下的要大,如图3所示,所以其铁心的铁损也更大。因此在上面铁心窗口面积与截面积的乘积公式的计算时,对于DCM模式,最大磁密Bm的取值必须要更小一些。实际的DCM模式下的变压器会比CCM模式下的小,但是没有理论公式计算的那么小。

(3) 输出滤波器LC的大小。

DCM模式有较大的次级峰值电流,开关管关断时刻,所有的次级大电流流入电容C,假设其等效串联电阻为Resr,这将产生窄而高的输出电压尖峰Ip(Np/Ns)Resr。而通常来说,电源是以有效值或峰-峰基值来规定输出电压纹波要求的,尖峰的宽度通常小于0.5Ls(随时间常数Resr不同而不同),因此这样的高尖峰的有效值很小。当选用大容量输出滤波电容时,电流很容易满足有效值纹波要求,但电源会输出危害很大的尖峰电压。因此,通常要在反激式变换器后面加小型的LC滤波器。因为在DCM模式下有较高的尖峰电压,所以需要LC值较大的滤波器以达到满足纹波要求的目的。DCM模式较大容量的LC滤波器需要占用较大的体积,这在一定程度上缩小了反激式开关电源工作在DCM模式和CCM模式下体积大小的差距

   (4) 从其它方面来分析。

除了可以从上面的因素来分析两种模式对开关电源的影响之外,还可以从损耗以及EMI等方面来分析。譬如,由于DCM模式下初级和次级电流都比较大,同等条件下的损耗会相应的增大,以至于降低开关电源的效率。

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

步骤7_根据VMINVOR确定DMAX

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

步骤8_计算初级峰值电流IP、输入平均电流IAVG和初级RMS电流IRMS

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

步骤9_基于AC输入电压,VOPO以及效率选定MOS管芯片

9.1 AC输入电压。AC输入电压主要影响的是MOS芯片的BVDSS耐压,由于MOS芯片控制的是AC输入电压经过整流后输入到变压器初级绕组的直流电压大小,从而达到控制变压器储存能量到传递能量的过程。理想情况下BVDSS的大小只要大于输入直流电压大小VMAX+反射电压VOR就可以了,但是实际应用中国,由于变压器初级绕组漏感的存在,电路寄生参数的影响,再加上期间本身误差及工作条件的限制,所以需要综合考虑输入电压的大小,主要参考原则:

以上是以交流AC220V输入条件为例,其他输入电压大小可以基于此原则。

9.2 VOPO以及效率

VOPO以及效率主要影响的是MOS芯片的ID电流大小以及MOS芯片工作时功耗散热的能力,虽然MOS芯片的散热可以通过增加散热片的方式进行补偿,但是散热片的体积和大小也是影响开关电源整体设计的一个主要方面,散热片上太大的功耗会产生太大的温升,这是开关电源设计的时候所不允许的,另一方面,太大的散热片也会产生太大的体积,实际情况并不适用,这种情况一般通过在满足ID电流的基础上尽量选择更小RDS的MOS芯片,以满足MOS芯片散热方面一定的裕量。至于散热片的尺寸大小,在选定了MOS芯片之后,芯片的规格书上一般都会有推荐的体积大小,后续的章节也有关于散热片方面的详细介绍。

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

步骤10_设定外部限流点,通过MOS芯片的降低因数KI降低MOS芯片的ILIMIT

这里主要分为两种情况:

10.1 MOS芯片没有外部限流点设置,这种情况一般选择比实际需求更大的MOS管芯片,以满足ID留有一定的裕量;

10.2 MOS管芯片有外部限流点设置时,如果应用要求有很高的效率,可以使用比实际所需更大的MOS管芯片,在外部将芯片限流点IL I M I T 降低,从而可以利用其较低的RDS(ON)来提高效率。

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

步骤11_通过IPILIMIT的比较验证MOS芯片选择的正确性

当KI= 1.0,应满足IP ≤ 0.96 x ILIMIT(min)。

当KI< 1.0,应满足IP ≤ 0.94 x ILIMIT(min)。

一般选择IP满足 IP ≤ 0.9 * ILIMIT(min),这是因为高温时极限电流最小值会减小10%,为使器件有更高的可靠性工作范围而留有余量。

•  如有必要选择更大型号的MOS管芯片。

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

步骤12_计算功率开关管热阻选择散热片验证MOS芯片选择的正确性

其中,TJ表示芯片的允许结温,TA表示工作环境温度,RJA表示允许的总热阻。

RJA = RJC + RCS + RSA

RJA的大小与管芯的尺寸封装结构有关,一般可以从器件的数据资料中找到。RCS的大小与安装技术和器件的封装有关,对于TO220封装,一般用2左右,

RSA为合适的散热片热阻。如果散热片尺寸比较大或无法实现,那么应当选用更大功率的MOS管芯片以提高结点温度,如果有必要减少功耗,可用较大的

MOS管芯片来检验热温升限制。 

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

步骤13_计算初级电感量LP

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jianjun8410
LV.7
23
2015-05-02 21:57
@jianjun8410
步骤13_计算初级电感量LP[图片]
马上10点了,看球去了,今天就更新到这里了
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2015-05-03 17:52
@jianjun8410
马上10点了,看球去了,今天就更新到这里了
还是个球迷-
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jianjun8410
LV.7
25
2015-05-03 22:25
@电源网-天边
还是个球迷-

幸亏没错过,巴萨8:0,太精彩了,梅西,加油!

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2015-05-04 10:08
@jianjun8410
幸亏没错过,巴萨8:0,太精彩了,梅西,加油!
8:0 场面好血腥 完虐啊~
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tfxl8278
LV.5
27
2015-05-04 10:55
@jianjun8410
马上10点了,看球去了,今天就更新到这里了
看完球接着写哈,精彩不断。
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jianjun8410
LV.7
28
2015-05-04 10:59

步骤14_选择磁芯和骨架,再从磁芯和骨架的数据手册中得到AeleAL,和BW的参考值

磁芯是制造高频变压器的重要组成,设计时合理、正确地选择磁芯材料、参数、结构,对变压器的使用性能和可靠性,将产生至关重要的影响。高频变压器磁芯只工作在磁滞回线的第一象限。在开关管导通时只储存能量,而在截止时向负载传递能量。因为开关频率为 100 kHz,属于比较高的类型,所以选择材料时选择在此频率下效率较高的铁氧体。

方法一:依据功率估算公式选择适合的磁芯

小型化开关电源可选低成本的EEEI型(二者截面积相同)磁芯;多路输出宜采用EFD型磁芯,因为能提供较大的窗口以便容纳多个次级绕组;大功率开关电源适配EFD型(圆中心柱)磁芯;一般不用环形、POTRM磁芯,因为泄露磁场较大。

选定磁芯后,查出磁芯以下参数,用于下面的计算:

磁芯有效截面积SJ,即有效磁通面积;

磁芯的有效磁路长度L

磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL

骨架宽度b

方法二:基于AP法选择磁芯

AP表示磁心有效截面积与窗口面积的乘积。计算公式为

AP= Aw* Ae                                                                 (1)

式中,AP的单位是cm4 Aw为磁心可绕导线的窗口面积(cm2 )Ae为磁心有效截面(cm2),

AeSJ=CDSJ为磁芯几何尺寸的截面积,C为舌宽,D为磁芯厚度。根据计算出的AP值,

即可查表找出所需磁芯型号。下面介绍将AP法用于开关电源高频变压器设计时的公式推导

及验证方法。

1高频变压器电路的波形参数分析

开关电源的电压及电流波形比较复杂,既有输入正弦波、半波或全波整流波,又有矩形波

(PWM波形)、锯齿波(不连续电流模式的一次侧电 流波形)、梯形波(连续电流模式的一次侧

电流波 形)等。高频变压器电路中有3个波形参数:波形系数(K ),波形因数( ),波峰因数( )。

因方波和梯形波的平均值为零,故改用电压均绝值|U|来代替。对于矩形波,t表示脉冲

宽度,丁表示周期,占空比D=tT

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jianjun8410
LV.7
29
2015-05-04 11:01
@tfxl8278
看完球接着写哈,精彩不断。
必须的,继续更新中~
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jianjun8410
LV.7
30
2015-05-04 11:02
@电源网-娜娜姐
8:0场面好血腥完虐啊~
那张比赛太经典了,只是内马尔整场有点可怜,最后就收货了一个点球,呵呵
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jianjun8410
LV.7
31
2015-05-04 14:24

步骤15_根据初级电感量大小以及磁芯参数计算初级绕组圈数NP

L = 磁链 / 电流 = (匝数 * 面积 * 磁通密度)/  电流,做如下变形:

计算初级绕组圈数NP

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