我以我们的IC进行设计分析说明:
基本的反激变换器原理图如下所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率<75W~的开关电源应用场合,反激变换器(Flyback Converter)是最常用的一种拓扑结构(Topology)。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点。接下来我将电源的关键部分的设计进行说明!
前面已经弄清楚后,我们再来进行围绕开关MOS的成本及可靠性方面。计算变压器的关键参数,搞定FLY的主架构的设计!
我的IC工作频率67KHZ
(我们的IC有多种频率可选67KHZ/100KHZ/130KHZ等)
目前的设计选择为各厂家通用的工作频率67KHZ。采用PWM+PFM控制模式,系统有较好的效率。较好的待机功耗等!
在设计之前,我先来回复客户常问我的一个问题:开关电源为什么常常选择67K或者100K左右范围作为开关频率,有的人会说IC厂家都是生产这样的IC,当然这也有原因。每个电源的开关频率会决定什么?对于多年的IC及各厂家的IC应用研究,我提出我的看法:
我们应该从这几个方面去思考原因:
A.有人说频率高了EMC不好过,一般来说是这样的,但这不是必然。
EMC与频率确实有关系,但不是必然。
高频率的IC的EMI我有经常指导客户搞定它!
B.先来想象我们的电源开关频率提高了。直接带来的影响是什么?
注意:当然是MOS开关损耗增大,因为单位时间开关次数增多了。
如果频率减小了会带来什么?开关损耗是减小了,但是我们的储能器件单周期提供的能量就要增多,势必需要的变压器磁性要更大,储能电感要更大了。
选取在67K到100K左右就是一个比较合适的经验折中,电源就是在折中合理化折中进行。
目前市场上的大多数IC的功能及引脚定义都相同,通用的工作频率及引脚定义为产品的通用设计带来便利,提高了设计和同类产品的转换机率!
C.假如在特殊情形下,输入电压比较低,开关损耗已经很小了,还在乎这点开关损耗吗,那我们就可以提高开关频率,起到减小磁性器件体积的目的。
D.我们使用过PI的电源IC,在未来追求系统成本,其开关频率为132KHZ。可使用小的变压器结构优化电源体积。
注意:开关电源的频率的选择怎么做都可以,只要能合理使用。能给你的设计带来高的设计可靠性及通用性;降低设计开发成本是最关键的!
进入正题
FLY-开关电源的设计我们经常会工作在下图示的状态,DCM与CCM模式:
FLY-反激变换器有两种运行模式:电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)。两种模式各有优缺点,相对而言,DCM 模式具有更好的开关特性,次级整流二极管零电流关断,因此不存在CCM 模式的二极管反向恢复的问题。
此外,同功率等级下,由于DCM模式的变压器比CCM 模式存储的能量少,故DCM 模式的变压器尺寸更小。但是,相比较CCM 模式而言,DCM 模式使得初级电流的RMS 增大,这将会增大MOS 管的导通损耗,同时会增加次级输出电容的电流应力。
因此,CCM 模式常被推荐使用在低压大电流输出的场合,DCM 模式常被推荐使用在高压-小电流输出的场合。
对CCM 模式反激变换器而言,输入到输出的电压增益仅仅由占空比决定。而DCM 模式反激变换器,输入到输出的电压增益是由占空比和负载条件同时决定的,这使得DCM模式的电路设计变得更复杂。但是,如果我们在DCM 模式与CCM模式的临界处(BCM 模式)、输入电压最低(Vinmin_DC)、满载条件下,设计DCM 模式反激变换器,就可以使问题变得简单化。于是,无论反激变换器工作于CCM 模式,还是DCM 模式,我们都可以按照CCM模式进行设计。
我的设计 迭代计算结果如下:
进行参数设计时,几个关键参数参考下图:
MOS 管关断时,输入电压Vin 与次级反射电压nVo 共同叠加在MOS的DS 两端。最大占空比Dmax 确定后,反射电压Vor(即nVo)、次级整流二极管承受的最大电压VD 以及MOS 管承受的最大电压Vdsmax,可由下式得到:
通过上面公式,可知:
Dmax 取值越小,Vor 越小,进而MOS 管的应力越小,
然而,次级整流管的电压应力却增大。
因此,我们应当在保证MOS 管的足够裕量的条件下,尽可能增大Dmax,来降低次级整流管的电压应力。
Dmax的取值,应当保证Vdsmax不超过MOS管耐压等级的80%;同时,对于峰值电流模式控制的反激变换器,CCM 模式条件下,当占空比超过0.5 时,会发生次谐波震荡。综合考虑,对于耐压值为650V的MOS管,设计中,Dmax 不超过0.5 为宜。迭代计算相关数据请参考我的EXCEL计算表格!
我们IC的规格书中,细心的开发者会注意到最大占空比的说明:
说明我在应用设计时,允许最大占空比会达到75%;当我们反激的占空比大于50%会带来什么?好的方面有哪些?不好的方面有哪些?反激的占空比大于50%意味着什么,占空比影响哪些因素?
第一:占空比设计过大,首先带来的是匝比增大,
主MOS管的应力必然提高。
一般反激选取600V或650V以下的MOS管,成本考虑。
占空比过大势必承受不起。上面通过公式已经有很好的说明了。第二点:很重要的是很多人知道,需要斜坡补偿,否则环路震荡。
IC一般都有这个功能如下:
不过这也是有条件的,右平面零点的产生需要工作在CCM模式下,如果设计在DCM模式下也就不存在这一问题了。后面再讲电源的补偿设计!
这也是小功率为什么设计在DCM模式下的其中一个原因。当然我们设计足够好的环路补偿也能克服这一问题。
当然在特殊情形下也需要将占空比设计在大于50%,单位周期内传递的能量增加,可以减小开关频率,达到提升效率的目的,如果反激为了效率做高,可以考虑这一方法。
我们在设计反激开关电源的时候VRO反射电压的范围为:70V-110V;如果选择的是650V或700V的高压MOS器件时,我的经验设计推荐VRO=90V左右!可靠性!!
注意在最大功率本设计/工作在CCM模式的最小VDC=140V
最小输入AC≈95VAC
也就是说我的设计在通常状况下,电源工作是在DCM。
只有系统过载或输入电压<95VAC时 系统进行CCM模式!
此时系统有较好的EMI效果;
因此可以看到对于反激的设计应用:当输入电压变化时,变换器可能会从CCM 模式过渡到DCM 模式,或从DCM模式过渡到CCM 模式;对于两种模式,我们需要均在最恶劣条件下(最低输入电压、满载)设计变压器的初级电感Lm。由下式决定:
其中,fsw 为反激变换器的工作频率,KRF为电流纹波系数,
其定义如下图所示:
流过开关MOS管的电流波形及电流纹波系数
通常我们对于DCM 模式变换器,设计时KRF=1。
对于CCM 模式变换器,KRF<1。
KRF 的取值会影响到初级电流的均方根值(RMS),KRF 越小,RMS 越小,MOS 管的损耗就会越小,然而过小的KRF 会增大变压器的体积,设计时需要反复衡量。
一般而言,设计CCM 模式的反激变换器:
宽压输入时(85~265VAC),KRF 取0.25~0.5;
窄压输入时(165~265VAC),KRF 取0.4~0.8 即可。
而实际我们的开关电源在工作过程中是在DCM与CCM两种工作模式都会存在;其随负载的变化而变换!
对于FLY设计:KRF取0.25~0.85的设计就OK!不需要明确的区分来设计变压器的初级电感取值;因此一旦Lm 确定,流过MOS 管的电流峰值Idspeak和均方根值Idsrms 亦随之确定:参考如下公式:
式中:
MOS管的导通损耗Pcond可以通过下面公式计算:
Rdson为MOS 管的导通电阻
接下来是变压器的设计问题!
什么样的变压器才算是比较完美且适用的?变压器决定了什么,影响了什么?
设计变压器是各种拓扑的核心点之一,变压器设计的好坏,影响电源的方方面面,有的无法工作,有的效率不高,有的EMC问题难解,有的温升过高,有的极限情况会饱和,有的安规就过不了!
需要综合各方面的因素来设计变压器。设计变压器从哪里入手呢?
一般来说根据功率来选择磁芯大小,有经验的可参考自己设计过的,这个是最推荐的设计;没经验的只能按照AP算法去算,当然还要留有一定的余量,最后实验去检验设计的好坏。 一般小功率反激推荐的用的比较多EE型,EF型,EI型,ER型,中大功率PQ的用的比较多,这里面也有每个人的习惯以及不同公司的平台差异,需要根据自己公司的平台和变压器资源库来选择合适的型号。实际设计中,由于充满太多的变数,磁芯的选择并没有非常严格的限制,可选择的余地很大。其中一种选型方式是,我们可以参看磁芯供应商给出的选型手册进行选型。相关的选型参考下表:
注意FLY-反激变换器设计,对于多路输出一定要注意负载调整率满足需求,耦合的效果要好,比如采用并绕,均匀绕制,以及副边匝数尽可能增多。
有的还需要增加屏蔽来调整EMI,原副边屏蔽一般加2层,外屏蔽1层就好。对于如上设计的<75W功率变压器一般更多的是关注损耗,需要铜损和磁损达到平衡,还需要考虑变压器的温升问题。还要清楚电源过的什么安规,挡墙是不是足够,层间胶带是否设置合理也是不可以忽视的,一旦要做认证去改变压器也是影响进度的。
选定磁芯后,通过上面的磁芯的DS 查找Ae 值,及磁化曲线,确定磁通摆幅△B,次级线圈匝数由下式确定:
△B的选择:注意兼顾变压器噪音的问题!
f=30KHz~70KHz,△B<0.35T;
f=70KHz~100KHz,△B<0.28T ;
完成的变压器选型及结构参数如下:
选择磁芯CORE/铁氧体Ferrite ER36 PC40;确定各路输出的匝数
先确定主路反馈绕组匝数,其他绕组的匝数以主路绕组匝数作为参考即可。主反馈回路绕组匝数为:
其它绕组圈数类推即可;变压器的设计的完整数据如下:
开关电源系统的关键部分完成设计。