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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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    LV.1

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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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  • zoufeihu

    LV.1

    2014-05-06 17:45

    @新月GG

    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。

    无标题

     

    逆向思维是创新的源泉,楼主这图全是符号,如果能加上一些文字说明,更加完美了
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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-07 08:47

    @zoufeihu

    逆向思维是创新的源泉,楼主这图全是符号,如果能加上一些文字说明,更加完美了

    23贴有文字推导说明。

    而且这符号含义也比较好理解呢。

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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-07 14:26

    @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:如何确定输入热敏电阻。

    热敏电阻的作用是抑制电源冷启动时的输入冲击电流。

    以下分别计算稳态损耗、温升,启动瞬态输入冲击电流。

    假定所选热敏电阻如下所示:

    NTC

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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-07 14:33

    @新月GG

    AC-DC部分:如何确定输入热敏电阻。

    热敏电阻的作用是抑制电源冷启动时的输入冲击电流。

    以下分别计算稳态损耗、温升,启动瞬态输入冲击电流。

    假定所选热敏电阻如下所示:

    NTC

    稳态部分计算如下:

    1、根据器件资料的最大电流电阻值R,计算功耗P=I^2*R

    2、再根据器件资料的耗散系数δ,计算温升ΔT=P/δ

    mathcad计算过程如下:

    无标题

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    LV.1

    2014-05-07 14:36

    @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。

    确实顺向设计,更精确。。。。哈。。。。很不错。。。
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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-07 14:40

    @新月GG

    AC-DC部分:如何确定输入热敏电阻。

    热敏电阻的作用是抑制电源冷启动时的输入冲击电流。

    以下分别计算稳态损耗、温升,启动瞬态输入冲击电流。

    假定所选热敏电阻如下所示:

    NTC

    暂态部分等效电路图如下:

    rectifier

    1、整流桥导通区:电源冷启动瞬间,整流桥导通,交流电压源通过整流桥D1、D2(负半周为D3、D4)给母线电解电容充电;因此是一个强迫交流电压源给一阶RC电路充电。

    2、整流桥截至区:由于电源还没有软启动,因此负载为空载,母线电解电容电压保持不变。

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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-07 14:58

    @新月GG

    暂态部分等效电路图如下:

    rectifier

    1、整流桥导通区:电源冷启动瞬间,整流桥导通,交流电压源通过整流桥D1、D2(负半周为D3、D4)给母线电解电容充电;因此是一个强迫交流电压源给一阶RC电路充电。

    2、整流桥截至区:由于电源还没有软启动,因此负载为空载,母线电解电容电压保持不变。

    1、整流桥导通区:(ui-ug)/R=C*dug/dt,其中ui=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*fi*t+ф),因为冷启动时的初始相位相位不定,所以理论上要考虑所有情况。

    这是一阶RC电路,所以根据三要素法解微分方程,其解为:

    ug=ug(s)+[ug(0)-ug(∞)]*e^(-t/τ),其中ug(s)为稳态解,即ug(s)=ui(s)*[(1/sC)/(R+sC)],并写成时域正弦波的形式。

    2、整流桥截至区:ug保持不变。

    以上取15度初始相位的示意波形图如下,示意波形图取自saber软件:

    ntc1

     

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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-07 15:01

    @新月GG

    暂态部分等效电路图如下:

    rectifier

    1、整流桥导通区:电源冷启动瞬间,整流桥导通,交流电压源通过整流桥D1、D2(负半周为D3、D4)给母线电解电容充电;因此是一个强迫交流电压源给一阶RC电路充电。

    2、整流桥截至区:由于电源还没有软启动,因此负载为空载,母线电解电容电压保持不变。

    输入电流波形如上图:

    1、整流桥导通区:i=(ui-ug)/R;

    2、整流桥截止区:i=0A;

    根据电流波形可以计算冷启动最大电流值和I2T,并判断所取热敏电阻是否合适。

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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-07 15:07

    @新月GG

    稳态部分计算如下:

    1、根据器件资料的最大电流电阻值R,计算功耗P=I^2*R

    2、再根据器件资料的耗散系数δ,计算温升ΔT=P/δ

    mathcad计算过程如下:

    无标题

    根据计算结果,电流、损耗、温升,看所选的热敏电阻是否合适?要求是要满足一定的降额,但也不能太多以防止浪费成本。

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  • 新月GG

    LV.1

    2014-05-07 15:08

    @新月GG

    暂态部分等效电路图如下:

    rectifier

    1、整流桥导通区:电源冷启动瞬间,整流桥导通,交流电压源通过整流桥D1、D2(负半周为D3、D4)给母线电解电容充电;因此是一个强迫交流电压源给一阶RC电路充电。

    2、整流桥截至区:由于电源还没有软启动,因此负载为空载,母线电解电容电压保持不变。

    暂态部分的mathcad计算如下:此处采用90度初始相位。

    无标题

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