LED照明電源單級PFC高頻變壓器設(shè)計----超實用

1、僅供個人參考不得用于商業(yè)用途五步搞定LED照明電源單級PFC高頻變壓器設(shè)計.由于LED照明電源要求：民用照明PF值 必需大于0.7,商業(yè)照明必需大于0.9.對于1070W的LED驅(qū)動電源，一般采用單級PFC來設(shè) 計。即節(jié)省空間又節(jié)約成本。接下來我們來探討一下單級PFC高頻變壓器設(shè)計。以一個60W的實例來進行講解：輸入條件：電壓范圍：176265Vac50/60HzPF0.95THD25%效率ef0.87輸出條件：輸出電壓：48V輸出電流：1.28A第一步：選擇ic和磁芯：Ic用士蘭的SA7527,輸出帶準諧振，效率做到0.87應(yīng)該沒有問題。按功率來選擇磁芯，根據(jù)以下公式：Po=100*Fs*V

2、ePo:輸出功率；100:常數(shù)；Fs:開關(guān)頻率；Ve:磁芯體積。在這里，Po=Vo*lo=48*1.28=61.44;工作頻率選擇：50000Hz;貝Ve=Po/(100*50000)=61.4/(100*50000)=12280mmmPQ3230的Ve值為：11970.00mmm這里由于是調(diào)頻方式工作。完全可以滿足需求?？梢?代入公式去看看實際需要的工作頻率為：51295H z.第二步：計算初級電感量。最小直流輸入電壓：VDmi n=176*1.414=249V.最大直流輸入電壓：VDmax=265*1.414=375V.僅供個人參考不得用于商業(yè)用途最大輸入功率：Pinmax=Po/ef=6

3、1.4/0.9=68.3W(設(shè)計變壓器時稍微取得比總效率高一 點)。最大占空比的選擇： 寬電壓一般選擇小于0.5,窄電壓一般選擇在0.3左右。 考慮到MOS管的耐壓，一般不要選擇大于0.5,220V供電時選擇0.3比較合適。在這里選擇：Dmax=0.327.最大輸入電流：Iinmax=Pin/Vinmin=68.3/176=0.39A最大輸入峰值電流：Iinmaxp=Iin*1.414=0.39*1.414=0.55AMOS管最大峰值電流：lmosmax=2*li nm axp/Dmax=2*0.55/0.327=3.36A初級電感量：Lp=DmaxA2*Vin_min/(2*lin_max*

4、fs_min)*10A3=0.327*0.327*176/(2*0.39*50000)*1000=482.55uH取500uH.第三步：計算初級匝數(shù)NP:查磁芯資料，PQ3230的AL值為：5140nH/NA2,在設(shè)計反激變壓器時，要留一定的氣息。 選擇0.6倍的AL值比較合適。在這里AL我們?nèi)。篈L=2600nH/NA2則：NP=(500/0.26)A0.5=44第四步：次級匝數(shù)NS:VOR=VDmin*Dmax=249*0.327=81.4匝比n=VOR/Vo=81.4/48=1.696NS=NP/n=44/1.686=26第五步：計算輔助繞組NA查看IC的datasheet,知道VCC為

5、11.530V.在這選16V.NA=NS(/ Vo*VCC)=26/(48/16)=8.67取9.繞法：僅供個人參考不得用于商業(yè)用途總結(jié)通過樣品的測試，實驗結(jié)果為：整機效率0.88,PF值：176V時0.989;220V時0.984;265V時0.975.變壓器溫升25K.在整個變壓器設(shè)計過程中。簡化了一些東西。比如二極管的壓降。 對比一下，與一般反激式的變壓器有點一致。只是由于整流橋后沒有接大容量的電解電容。實際的直流最低電壓沒有1.414倍。隨著LED在照明、背光等場合的應(yīng)用，用戶在面對體積、調(diào)光控制、成本、轉(zhuǎn)換效率等 方面有更多的考慮因素。近年來，采用原邊反饋方式的LED驅(qū)動器發(fā)展迅速，

6、與傳統(tǒng)的副邊 反饋的光耦加TL431的結(jié)構(gòu)相比，其最大的優(yōu)勢在于省去了這兩個芯片以及與之配合工作的 一組元器件，這樣就節(jié)省了系統(tǒng)板上的空間，降低了成本并且提高了系統(tǒng)的可靠性。例如，美國MPS公司推出的MP4021/4020,在針對AC85V265V全電壓輸入 范圍里，可以提供30W內(nèi)的解決方案。其采用原邊控制架構(gòu)的LED驅(qū)動電路具有成本和性能 優(yōu)勢，可以節(jié)省光耦和其它反饋電路，使得產(chǎn)品體積大大減小，從而很好地兼顧了成本和性能。其應(yīng)用特點可簡單概括為：g.r辭卯區(qū)斗Wpwj p川舉廳祁*常沖8気丄世LM：忙；僅供個人參考不得用于商業(yè)用途另外，MP4021/4020能實現(xiàn)精確的次級側(cè)LED驅(qū)動電流

7、控制，其內(nèi)置的補償線 路保證了驅(qū)動器在全溫、寬電壓和量產(chǎn)條件下的輸出電流精度。跟我學系列之一，CCM模式APFC電路設(shè)計傳統(tǒng)的工頻交流整流電路， 因為整流橋后面有一個大的電解電容來穩(wěn)定輸出電壓，所以使電網(wǎng)的電流波形變成了尖脈沖，濾波電容越大， 輸入電流的脈寬就越窄， 峰值越高，有效值就 越大。這種畸變的電流波形會導(dǎo)致一些問題， 比如無功功率增加、電網(wǎng)諧波超標造成干擾等。功率因數(shù)校正電路的目的，就是使電源的輸入電流波形按照輸入電壓的變化成比例的變化。使電源的工作特性就像一個電阻一樣，而不在是容性的。目前在功率因數(shù)校正電路中， 最常用的就是由BOOS變換器構(gòu)成的主電路。 而按照輸入電流 的連續(xù)與否

8、， 又分為DCMCRM CCM模式。DCM模式，因為控制簡單，但輸入電流不連續(xù)， 峰值較高，所以常用在小功率場合。CCM莫式則相反，輸入電流連續(xù)，電流紋波小，適合于大功率場合應(yīng)用。介于DCM和CCM之間的CRM稱為電流臨界連續(xù)模式， 這種模式通常采用變 頻率的控制方式，采集升壓電感的電流過零信號，當電流過零了，才開通MOST。這種類型的控制方式，在小功率PFC電路中非常常見。今天我們主要談適合大功率場合的CCM模式的功率因數(shù)校正電路的設(shè)計。要設(shè)計一個功率因數(shù)校正電路，首先我們要給出我們的一些設(shè)計指標，我們按照一個輸出500W左右的APFC電路來舉例：僅供個人參考不得用于商業(yè)用途已知參數(shù)：交流電

9、源的頻率fac50Hz最低交流電壓有效值Umin85Vac最高交流電壓有效值Umax265Vac輸出直流電壓Udc400VDC輸出功率Pout600W最差狀況下滿載效率n 92%開關(guān)頻率fs65KHz輸出電壓紋波峰峰值Voutp-p10V那么我們可以進行如下計算：1，輸出電流Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A2,最大輸入功率Pin=Pout/n=600/0.92=652W3，輸入電流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A4,那么輸入電流有效值峰值為Iinrmsmax*1.414=10.85A5,高頻紋波電流取輸入電流峰值的20%,那么Ihf=

10、0.2*Iinrmsmax=0.2*10.85=2.17A6,那么輸入電感電流最大峰值為：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A7,那么升壓電感最小值為Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH8,輸出電容最小值為：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp-p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF實際電路中還要考慮hold up時間,所以電容容量可能需要重新按照hold up的時間要求來 重新計算。實際的電路中，我用了1320uF,4只330uF

11、的并聯(lián)。有了電感量、有了輸入電流,我們就可以設(shè)計升壓電感了！PFC電路的升壓電感的磁芯，我們可以有多種選擇：磁粉芯、鐵氧體磁芯、開了氣隙的非晶/微晶合金磁芯。這幾種磁芯是各有優(yōu)缺點,聽我一一道來。磁粉芯的優(yōu)點是，卩值低，所以不用額外再開氣隙了。氣隙平均，漏磁小，電磁干擾比較低，不易飽和。缺點是，基本是環(huán)形的，繞線比較困難，不過目前市場上也出現(xiàn)了EE型的。僅供個人參考不得用于商業(yè)用途另外，卩值隨磁場強度的增加會下降。設(shè)計的時候需要反復(fù)迭代計算。鐵氧體磁芯的優(yōu)點是損耗小，規(guī)格多，價格便宜，開了氣隙后，磁導(dǎo)率穩(wěn)定。缺點是需要開 氣隙，另外飽和點比較低，耐直流偏磁能力比較差。非晶/微晶合金的優(yōu)點是飽和

12、點高，開氣隙后， 磁導(dǎo)率穩(wěn)定。同樣缺點是需要開氣隙。另外， 大都是環(huán)狀的。在此說明一下， 環(huán)形鐵芯雖然繞線比較困難， 沒有E型什么帶骨架的那種容易繞。 但是環(huán)形 鐵芯繞出來的電感分布電容小，對將來處理電磁兼容帶來了很多便利之處。E型的骨架繞線一般都是繞好幾層，那么層間電容比較大，對EMC產(chǎn)生不利影響。另外，開氣隙的鐵芯，在氣隙處，銅損會變大。因為氣隙處的漏磁在銅線上產(chǎn)生渦流損耗。下面我們就選擇一種環(huán)形磁粉芯來作為我們PFC電感的磁芯。我們上面已經(jīng)計算出了幾個參數(shù)：輸入電流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A輸入電感電流最大峰值為：ILpk=Iinrmsmax

13、+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A升壓電感最小值為Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH下面繼續(xù)計算：線圈選擇電流密度為5A/平方毫米，那么可以計算出我們需要用的漆包線的線徑為：2XSQRT(7.67/(5X3.14)=1.4毫米因為我們這是按照最極限的輸入電壓也就是說按照最大的輸入電流時來計算的。所以電流密度取的裕量比較大。 實際按照不同的成本要求， 也可以把電流密度取大一些， 比如此處取電 流密度為8A/平方毫米的話，那么可以得到線徑為：2XSQRT(7.67/(8X3.14)=1.1毫米這也

14、是可以接受的。因為是CCM莫式的工作方式，基波是低頻的半正弦波，在此處我們就不考慮趨膚效應(yīng)了。選用單根的漆包線就可以了。常用的幾個公式：LI=NBAeL：電感量，I:電流，N：匝數(shù)，B:磁感應(yīng)強度變化量，Ae：磁芯截面積L=NXNXAl僅供個人參考不得用于商業(yè)用途Al:電感系數(shù)僅供個人參考不得用于商業(yè)用途H=0.4X3.14 X NX |/LeH：磁場強度，Le：磁路長度 繼續(xù)。計算磁芯大小的方法有幾種，最常用的就是AP法，但實際上，因為磁粉芯的磁導(dǎo)率隨磁場強度變化較大，計算經(jīng)常需要迭代重復(fù)。另外，因為磁環(huán)的規(guī)格相對比較少。我們就不用AP法計算了。而是直接拿磁芯參數(shù)過來計算，幾次就可以得到需要

15、的磁芯了。經(jīng)驗越豐富， 計算就越快了。適合用來做PFC電感的磁粉芯主要有三類：鐵鎳鉬（MPP）、鐵鎳50（高磁通）、鐵硅鋁（FeSiAl）其中，鐵鎳鉬粉芯的飽和點大概在B=0.6附近。而后兩者都可以達到1以上。此處，我們選用某國產(chǎn)的鐵硅鋁粉芯，下面是該粉芯的一些特性曲線圖：僅供個人參考不得用于商業(yè)用途從圖上可以看見，當磁場強度上升的時候，磁導(dǎo)率在下降。那么電感量也就會下降。所以， 我們希望電感量在承受直流偏磁時不要跌落的太多，那么設(shè)計所選擇的磁場強度就不能太 高。我們選用初始磁導(dǎo)率卩0=60的鐵硅鋁粉芯， 那么可以從圖中看到，當磁場強度為1000e時，磁導(dǎo)率還有原來的42%而當磁場強度為100

16、0e時，磁感應(yīng)強度為0.5T,遠未到飽和點。 我們就把設(shè)計最大磁場強度定為1000e。那么根據(jù)L=NX NX AlH=0.4X3.14XNX I/Le我們得到的限制條件是：0.4X3.14XSQRT(L/Al)XI/Le100由于1000e時，磁導(dǎo)率只有初始值的42%所以我們要對上式中的Al乘上這個系數(shù)。那么帶入相關(guān)的參數(shù)L=709uH, l=11.94A，我們有：蹴化曲線（B-H）磁導(dǎo)率一直淹偏磁曲線（吋直場張度Ho僅供個人參考不得用于商業(yè)用途0.4X3.14XSQRT(709E-6/(0.42XAl)X11.94/Le100,簡化后得到：0.616/(LeXSQRT(Al)100注意：上式

17、中，Le的單位是：cm, Al的單位是：H/(NXN)現(xiàn)在，我們可以把磁芯參數(shù)帶入計算了。選擇一個：A60-572A,Le=14.3cm,Al=140nH/(NXN),Ae=2.889平方厘米,帶入后得到：115100顯然磁芯不合適,再選擇一個更大的：A60-640,Le=16.4cm,Al=144nH/(NXN),Ae=3.53平方厘米,計算得到：99100,不等式滿足。磁芯選定。然后，根據(jù)99=0.4X3.14XNX I/Le計算得到N=108圈有時,選擇不到合適的單個磁芯,可以選擇兩個磁芯疊加起來使用。對樓主的“0.4X3.14XSQRT(709E-6/(0.42XAl)X11.94/L

18、e100,簡化后得到：0.616/(LeXSQRT(Al)100注意：上式中,Le的單位是：cm,Al的單位是：nH/(NXN)現(xiàn)在，我們可以把磁芯參數(shù)帶入計算了。選擇一個：A60-572A,Le=14.3cm,AI=140nH/(N X N),Ae=2.889平方厘米，帶入后得到：115100對于得數(shù)1 1 5看不明白，怎么算出來的，能不能講解一下？就是0.616/(14.3XSQRT(140E-9)=115哦，我應(yīng)該把AI的單位改成H/NT這就改。0.4X3.14XSQRT(709E-6/(0.42XAl)X11.94/Le100,簡化后得到：0.616/(LeXSQRT(AI)100僅供

19、個人參考不得用于商業(yè)用途樓主，這個里頭的值，AI單位是H/NT(等于是AI在乘以一個10-9),Le單位為cmo化簡后的值,為什么和我化簡后的值不一樣,我經(jīng)過反復(fù)計算,得到的是：0.00205/(LeXSQRT(AI)100,是我計算出錯了，還是中間哪里還要注意。可不可以把你簡化過程的細節(jié)貼上來0.4X3.14XSQRT(709E-6/(0.42XAI)X1 1 .94/Le1 00-6 6 -614.99664XSQRT(70X10-X1/(0.42AI)X10 )X1/Le100這里10-單位變成uH/N214.99664XSQRT(709/(0.42AI)X1/Le100616.158X

20、SQRT(1/AI)X1/Le=616.158/(LeXSQRT(AI)100和您的結(jié)果比起來，還是有點區(qū)別差了1000倍，這里，AI的單位是uH/N2o是不是還有錯誤？709E-6的意思是，709X10-6，怎么后來變成了7096?這就是問題所在了。不好意思 沒看清，我再算次，等等在把原來的改了謝謝應(yīng)該是你的AL的單位造成的問題。 你細細想想，用什么單位需要乘以10的多少次方，別搞混了?？辞宄?，您的單位是沒有換算，直接得到，也就是說，您那里頭的Al單位是：H/NA2,而我這個答案的Al單位是：uH/N2如果是這樣，那應(yīng)該就沒錯了謝謝！1H=1000mH=1000,000uH=1000,0

21、00,000nH=1000,000,000,000pH限制條件：0.4X3.14XSQRT(L/AI)X|/Le1000.4X3.14XSQRT(709E-6/(0.42XAl)X11.94/Le100,這里的“L”帶入到公式后變成“709E -6”“E”表示的是什么呢？為什么減去6了？這個有點不理解，希望說明下，謝謝!這里頭L=NX NX Al和這個公式里頭的L不是同一個值嗎？能稍微介紹介紹嗎？再次謝謝！ ！僅供個人參考不得用于商業(yè)用途再請教好版主，根據(jù)第此方法計算下的匝數(shù)為108,重新計算出電感L=108*108*144=1.6mH,與709uH相差一倍多，為什么？另外，比如我想選擇一個2

22、00uH的工作于DCM/CR的PFC電感，如何計算選擇磁性參數(shù)？指導(dǎo)一下步驟或者看那些資料？多謝。僅供個人參考不得用于商業(yè)用途磁化曲錢（B-H）磁導(dǎo)率-直流偽磁曲域（片血）假如我們選擇另一種材質(zhì)的磁芯，選擇磁導(dǎo)率在直流磁場下衰落比較小的高磁通粉芯，我們來看看計算結(jié)果如何。我們選用初始磁導(dǎo)率 卩0=60的FeNi50粉芯，那么可以從圖中看到，當磁場強度為1000e-7、 L.OH125、僅供個人參考不得用于商業(yè)用途時，磁導(dǎo)率還有原來的65%而當磁場強度為1000e時，磁感應(yīng)強度為0.65T，遠未到飽和 點。我們可以設(shè)計最大磁場強度定為1000Q那么根據(jù)L=NX NX AlH=04X3.14XNX |/Le我們得到的限制條件是：0 .4X3 . 1 4XSQRT(L/Al)XI/Le1 00由于100Oe時，磁導(dǎo)率只有初始值的65%所以我們要對上式中的Al乘上這個系數(shù)。那么帶入相關(guān)的參數(shù)L=709uH，|=11.94A，我們有：0 . 4X3 . 1 4XSQRT(709E- 6/(0 . 6 5XAl)X11.94/Le100，簡化后得到：0.495/(LeXSQRT(Al)100注意：上式中，Le的單位是：cm, Al的單位是：H/(NXN