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最优化开关电源设计大揭秘(一)-项目背景篇
最优化开关电源设计大揭秘(二)AC-DC整流部分讲解
最优化开关电源设计大揭秘(三)DC-DC部分讲解
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最优化开关电源设计大揭秘(三)DC-DC部分讲解
2020-09-18 14:32
最优化开关电源设计大揭秘(二)AC-DC整流部分讲解
2020-09-18 14:21
环路是如何计算出来的(四)总的开环小信号传递函数
2020-09-16 16:56
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2020-09-16 16:28
环路是如何计算出来的(二)主电路的小信号传递函数
2020-09-16 16:06

最优化开关电源设计大揭秘(一)-项目背景篇

逆向思维设计开关电源,采用与一般教科书相反的设计思路,重要的是思想。

模块化设计开关电源,全方位精确计算主电路模块、控制电路模块、环路模块、EMI模块。以反激为例,采用mathcad软件全面精确计算,如何最优化设计之?你是喜欢花较多时间坐在电脑前设计开关电源参数,然后仅仅花少量时间坐在实验桌前调试开关电源?还是喜欢反之?相信更多人喜欢前者,我也是如此。其实90%的电源设计都可以在电脑前完成,而在实验桌前需要完成的只是仅占10%的电源设计。

本次分享主要分为三部分:

一、项目背景篇

二、AC-DC整流部分讲解篇

三、DC-DC部分讲解篇

接下来将以一款反激电源为例,揭示如果精确计算开关电源的每一个器件参数,以及如何最优化设计开关电源。将要设计的电源指标为:

输入:交流90-264V,50Hz

输出:24V3.5A,8V1.2A

以下分别计算主电路、控制电路、环路、EMI,以确定所有器件参数。


首先计算主电路参数:

根据电源指标:

  1. 输入电压:Ui=90-264V
  2. 输入频率:fi=50Hz
  3. 输出电压:Uo=24V, 8V
  4. 输出电流:Io=3.5A, 1.2A

计算:

  1. 输出电阻:Ro=Uo/Io
  2. 输出功率:Po=Uo*Io假定效率η=85%,计算:
  3. 输入功率:Pi=Po/η

采用mathcad软件可自动计算,将繁琐的计算任务交给电脑处理,则以上计算如下图所示:


主电路分2部分:

  1. AC-DC整流部分,即输入交流电压Ui-母线电压Ug部分
  2. DC-DC部分,即母线电压Ug-输出电压Uo部分

AC-DC部分:首先要确定母线电解电容的容值

这个怎么选?有些人会根据经验选择输出功率的3倍作为容值,比如输出30W,就选100uF的电容(30*3=90uF)。这样选择,误差较大,而且仅适合全输入电压范围的电源,如果不是全输入电压范围,就无参考意义。

这里根据等效原理图来计算如何选择,如下图:

  1. 整流桥导通区:当输入电流大于0A时,即ii>0A时,输入电压源通过D1、D2(负半周为D3、D4)给电容C充电,同时给恒功率负载供电,所以ug=|ui|=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*f*t);
  2. 整流桥截至区:当输入电压的绝对值小于母线电压时,即|ui|<ug,电容C放电,给恒功率负载供电,所以ic=C*dug/dt即ug=ug0+(1/C)*∫ic*dt。

具体计算过程如下:

  1. 假定C的容值;
  2. 计算由导通区转为截至区的时刻t0(即输入电流=0A的时刻)与此时刻的ug(ug0),根据方程:ii=ic+ig=C*dug/dt+Pi/ug=0A;
  3. 计算截至区的时间△t=t1-t0与t1时刻的ug(ug1),根据方程:0.5*C*(ug1^2-ug0^2)=Pi*△t;其中ug1=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*f*t1);
  4. 根据母线波谷电压ug1与纹波电压△ug=2^0.5*Ui-ug1,判断所选C是否合适

示意波形图如下,示意波形图取自saber软件:

母线波谷电压ug1过小,会导致占空比变化过大,使电源无法正常工作。母线纹波电压△ug过大,会导致输出电压纹波过大。而反之,则需要使用更大容量的电解电容,导致电源成本上升。

综上,需要折衷考虑。

以上计算的mathcad计算过程如下图所示:

如果将容值Cp改变,mathcad会自动计算,所得结果△ug可能就过大而不合适,或过小而造成浪费。比如改小CP=100uF如下图,可以看到ug1=49V太小而不合适。

将导通区与截至区的电压波形统一,即得到mathcad如下图形。并且计算了一个工频周期里的平均值,作为后续计算损耗的计算值。

并根据母线电压波形,计算输入电流ii=ic+ig=C*dug/dt+Pi/ug;作为后续输入保险等的选择依据。

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  • 阳光帝国 2020-11-11 09:27
    思路清晰,受益匪浅
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  • rhp2005 2020-09-17 18:08
    已关注!大师能否共享计文算,正在深入学习开关电源!
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  • 2020-09-02 19:10
    这些公式感觉好陌生,可否详细的再解释下!!
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  • funydiy 2020-08-20 22:46
    这些公式我该如何给get到啊????
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  • znz23456 2020-08-19 16:37
    已点赞,文章中的相关仿真和计算文件能否分享下。谢谢
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  • 新月GG 2020-08-18 22:14
    求收藏点赞关注分享。
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