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【原创】精确计算开关电源-最优化开关电源设计大揭秘

  • 2014-05-01 01:27
  • 新月GG

    LV.2
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  • 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?

     

    环路部分请参看下帖:

    【我是工程师】精确计算开关电源-环路是如何计算出来的?

    http://www.dianyuan.com/bbs/1508321.html

    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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  • 新月GG

    LV.0

    2014-05-01 15:24

    @

    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:

    未命名

     

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  • 新月GG

    LV.0

    2014-05-04 11:58

    @新月GG

    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:

    rectifier

    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|

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  • SKY丶辉煌

    LV.1

    2014-05-05 20:01

    @新月GG

    感谢楼主的关注及回复。

    这里说的逆向思维是指理论计算方法上的处理方式。

    一般教科书上是先给出假设(比如母线电压纹波是20%,这个假设合理吗?),然后根据假设计算需要的值(比如根据母线电压纹波,计算电解电容的容值)。这样处理计算结果容易存在误差,误差累计到一定程度容易出错。

    这里采用相反的过程(利用mathcad软件),即先假定需要的值是多少(比如假定电解电容的容值),然后看取值是否合理(比如看计算出来的母线电压纹波是否符合要求)。这样处理的优势是可以精确计算,理论上没有误差。

    所以其实教科书上的可以看成是逆向计算。而这里的与其相反,即逆向计算的逆向,反而是顺向计算,条理清晰更容易理解。

    说的头头是道的,哈哈,又被你给忽悠上道了~月哥雄起!
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  • zhang_min9861

    LV.1

    2014-05-06 08:17

    @新月GG

    其实我说的重点是计算的误差,倒不是假设合理不合理。

    比如根据纹波电压,计算出电容值,然后取一个相近的电容值,这样就出现计算误差了。

    而直接取电容值,再计算纹波电压,理论上就不存在计算误差。

    而且顺向计算,更容易理解。

    计算本身不存在误差,而是计算完成后取值上有误差,如果想没有“计算误差”,那么就按照计算值取值。但是计算值往往跟产品规格有出入,因此通常我们会取附近规格的,这就是您说的误差吧,但是大多数工程师都是往好的方面取值,这样既不存在太大的浪费,也不会不符合指标!即使时往坏的方向取值,也一定是设计者认为这个指标是可接受的!我记得您22帖的内容是母线电容的取值完全按照调试经验值,而没有去计算,这个我觉得是不可取的!因为设计前先计算我觉得是正确的,起码方向上是对的,至于计算后的值跟实际值是不是一样,这就要具体电路具体分析了,如布板时线长、干扰、分布电感等好多因素对原理性设计的影响,这个确实要根据经验来判断,甚至是需要调试时确定的!还是那句话,楼主的帖肯定是一精华帖,不过我觉得楼主的方向可以适当调整,不一定非要强调您说的计算误差,其实往理论计算与经验取值,甚至更切合您在3帖中说的,是花更多的时间去调试还是更多的时间去计算?其实这个部分才是您关注的重点问题,而解决这个问题的关键我觉得不一定是您给我回复的“计算误差”,而是如何权衡经验值与计算值,甚至是计算值于调试取值这样的话题!当然如果能在计算时采取一些纠偏的方法去滤除设计时的系统误差,这个是很值得欢迎的。

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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-06 09:04

    @zhang_min9861

    计算本身不存在误差,而是计算完成后取值上有误差,如果想没有“计算误差”,那么就按照计算值取值。但是计算值往往跟产品规格有出入,因此通常我们会取附近规格的,这就是您说的误差吧,但是大多数工程师都是往好的方面取值,这样既不存在太大的浪费,也不会不符合指标!即使时往坏的方向取值,也一定是设计者认为这个指标是可接受的!我记得您22帖的内容是母线电容的取值完全按照调试经验值,而没有去计算,这个我觉得是不可取的!因为设计前先计算我觉得是正确的,起码方向上是对的,至于计算后的值跟实际值是不是一样,这就要具体电路具体分析了,如布板时线长、干扰、分布电感等好多因素对原理性设计的影响,这个确实要根据经验来判断,甚至是需要调试时确定的!还是那句话,楼主的帖肯定是一精华帖,不过我觉得楼主的方向可以适当调整,不一定非要强调您说的计算误差,其实往理论计算与经验取值,甚至更切合您在3帖中说的,是花更多的时间去调试还是更多的时间去计算?其实这个部分才是您关注的重点问题,而解决这个问题的关键我觉得不一定是您给我回复的“计算误差”,而是如何权衡经验值与计算值,甚至是计算值于调试取值这样的话题!当然如果能在计算时采取一些纠偏的方法去滤除设计时的系统误差,这个是很值得欢迎的。

    再次感谢关注。

    误差可以接受,也能把产品设计出来,只是误差大了,离最优设计可能有一点点偏差,这是一方面。

    另一方面是为了尽量减少计算误差,这里采用了一些精确计算的公式,而不是工程近似公式。虽然有时候工程近似公式也足够了,感觉精确计算没必要,不过现在有这么好的计算软件,不用就浪费了,能精确就尽量精确一点。

    这里采用计算的特点是:1是顺序计算,与一般教科书相反,更容易理解;2是精确计算,尽量减少计算误差,虽然免不了也存在一定误差。

    我个人比较看重理论计算,实际经验会比较欠缺。如果实际测量值不符合理论计算,我会去寻找不一致的原因,采用更精确的计算公式,这是我权衡经验值与计算值经常采用的一种纠偏方法,就象你说的那样。

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  • zhang_min9861

    LV.1

    2014-05-06 09:10

    @新月GG

    再次感谢关注。

    误差可以接受,也能把产品设计出来,只是误差大了,离最优设计可能有一点点偏差,这是一方面。

    另一方面是为了尽量减少计算误差,这里采用了一些精确计算的公式,而不是工程近似公式。虽然有时候工程近似公式也足够了,感觉精确计算没必要,不过现在有这么好的计算软件,不用就浪费了,能精确就尽量精确一点。

    这里采用计算的特点是:1是顺序计算,与一般教科书相反,更容易理解;2是精确计算,尽量减少计算误差,虽然免不了也存在一定误差。

    我个人比较看重理论计算,实际经验会比较欠缺。如果实际测量值不符合理论计算,我会去寻找不一致的原因,采用更精确的计算公式,这是我权衡经验值与计算值经常采用的一种纠偏方法,就象你说的那样。

     高手做到后面可能就是用自己的纠偏公式了,呵呵重新关注从头到尾您的所有公式,现在开始我静默的开始学习你的纠偏公式了,其实我也是很注重理论计算的,我觉得只有理论通了才能调的好,否则即使调出来了自己也跟浆糊一样!期待你的相关细节处理!希望在这个帖子能展现出来,让我这样入行时间不长的人能多“窃取”些经验公式。我最佩服人家自己根据理论计算和经验调试总结出来的纠偏公式了!搬个板凳好好学习!
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  • jishu-sy

    LV.1

    2014-05-06 09:53

    @

    好帖,顶

    看来我得去下载并学习mathcad这个软件了,看楼主计算过程,感觉很实用。

    由于我自己不会软件编程什么的,计算都是用excel事先做好了公式代为计算的,楼主给我提供了新方法了,感谢!

    -------------

    打字漏了个字,本来打不会软件编程,打成了会。。。

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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-06 10:04

    @jishu-sy

    好帖,顶

    看来我得去下载并学习mathcad这个软件了,看楼主计算过程,感觉很实用。

    由于我自己不会软件编程什么的,计算都是用excel事先做好了公式代为计算的,楼主给我提供了新方法了,感谢!

    -------------

    打字漏了个字,本来打不会软件编程,打成了会。。。

    mathcad不需要懂编程,只要列出公式就能自动计算了。
    0

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  • 火影勇者

    LV.1

    2014-05-06 10:15

    @新月GG

    mathcad不需要懂编程,只要列出公式就能自动计算了。
    顶起来,哥哥辛苦了
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  • SKY丶辉煌

    LV.1

    2014-05-06 11:33

    @火影勇者

    顶起来,哥哥辛苦了
    月哥哥更新吧~
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  • 漂泊的人

    LV.1

    2014-05-06 11:50

    @

    顶起来,楼主辛苦
    0

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  • dxsmail

    LV.1

    2014-05-06 17:13

    @新月GG

    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:

    rectifier1

     

    非常详细的资料。。。
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