主電路設計(開關電源)

1、第第7章章 主電路設計主電路設計 內容內容主要技術指標、主電路的選型主要技術指標、主電路的選型 、元器件參數元器件參數的計算的計算 ；熱設計和結構設計熱設計和結構設計 ；輸入回路的設輸入回路的設計計；電磁兼容技術與可靠性設計電磁兼容技術與可靠性設計 目標目標開關電源電路的基本設計思想和設計方法開關電源電路的基本設計思想和設計方法7.1 主要技術指標及其分析主要技術指標及其分析 7.1.1 輸入參數輸入參數 輸入電壓輸入電壓 ： 交流國內、國際標準，交流國內、國際標準，國際通用電壓范圍國際通用電壓范圍 。直流直流額定值和變化范圍。額定值和變化范圍。 輸入頻率輸入頻率 ：民用、工業(yè)為民用、工業(yè)為5

2、0Hz，航空、航天，航空、航天及船舶為及船舶為400Hz 。 輸入相數輸入相數 ：單相、：單相、三相，與功率有關。三相，與功率有關。 輸入電流：輸入電流：額定輸入電流和最大電流額定輸入電流和最大電流 。 輸入功率因數和諧波：輸入功率因數和諧波：標準規(guī)定，采取措施。標準規(guī)定，采取措施。 7.1.2 輸出參數輸出參數 輸出電壓：輸出電壓：額定值和調節(jié)范圍額定值和調節(jié)范圍。 輸出電流：輸出電流：額定值；過載倍數；調節(jié)范圍額定值；過載倍數；調節(jié)范圍 ；電流；電流下限下限 。 穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度：穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度：正負誤差帶正負誤差帶。 輸出特性：輸出特性：恒壓恒流。恒壓恒流。 紋波：紋波： 類型類型高頻噪聲

3、高頻噪聲、開關頻率紋波開關頻率紋波、低頻紋波。低頻紋波。 量化方法量化方法紋波系數、峰峰電壓值、按三種頻率紋波系數、峰峰電壓值、按三種頻率成分分別計量幅值成分分別計量幅值 、衡重法、衡重法 。 效率：額定條件下的效率：額定條件下的輸入有功功率和輸出功率之輸入有功功率和輸出功率之比。比。 7.1.3 電磁兼容性能指標電磁兼容性能指標 電磁兼容性：電磁敏感性和電磁干擾電磁兼容性：電磁敏感性和電磁干擾電子裝置電子裝置抵抗外來干擾的能力和自身產生的干擾強度。抵抗外來干擾的能力和自身產生的干擾強度。 各國有關電磁兼容的標準很多，開關電源產品一各國有關電磁兼容的標準很多，開關電源產品一般用通用標準般用通用

4、標準( (IEC61000IEC610004 4和和GB/T17626GB/T17626系列系列) )。 7.1.4 其他指標其他指標 體積和重量體積和重量：減小體積和重量的最有效途徑是提減小體積和重量的最有效途徑是提高開關頻率高開關頻率 環(huán)境溫度：環(huán)境溫度：民用民用0 04040，工業(yè)用，工業(yè)用-10-105050，軍，軍用、航空航天、艦船用用、航空航天、艦船用-55-55105105。 海拔高度：加大絕緣的間距海拔高度：加大絕緣的間距 7.2 主電路設計主電路設計 7.2.1 主電路的選型主電路的選型 反激型電路反激型電路：功率小于功率小于100W的電源的電源 正激型電路正激型電路：100

5、W以上功率，且工作環(huán)境干以上功率，且工作環(huán)境干擾很大、輸入電壓質量惡劣、輸出短路頻繁。擾很大、輸入電壓質量惡劣、輸出短路頻繁。 半橋型電路半橋型電路：功率大于功率大于500W，工作條件較好，工作條件較好，嚴格限制成本。嚴格限制成本。 全橋型電路全橋型電路：功率很大，工作條件較好。功率很大，工作條件較好。 推挽型電路：輸入電壓很低、功率較大。推挽型電路：輸入電壓很低、功率較大。 7.2.2 硬開關與軟開關電路的選擇硬開關與軟開關電路的選擇 一般情況下采用硬開關電路。一般情況下采用硬開關電路。 對效率、體積和重量的要求非常高時，可以采對效率、體積和重量的要求非常高時，可以采用相應的軟開關電路。用相

6、應的軟開關電路。 軟開關是未來電源技術的主流。軟開關是未來電源技術的主流。7.2.3正激型、推挽型、半橋型和全橋型電正激型、推挽型、半橋型和全橋型電路的主電路元器件參數的計算路的主電路元器件參數的計算 1變壓器的設計變壓器的設計 設計的參數：電壓比、鐵心的形式和尺寸、各繞設計的參數：電壓比、鐵心的形式和尺寸、各繞組匝數、導體截面積和繞組結構等。組匝數、導體截面積和繞組結構等。依據參數：工作電壓、工作電流和工作頻率。依據參數：工作電壓、工作電流和工作頻率。(1)電壓比電壓比kT ：最大占空比和最低輸入電壓下，最大占空比和最低輸入電壓下，輸出電壓達到上限，考慮電路的壓降，輸出電輸出電壓達到上限，考

7、慮電路的壓降，輸出電壓的裕量壓的裕量 minmaxmaxiToUDkUU (2)鐵心的選取鐵心的選取 AP法，計算出法，計算出Ap，在廠家的產品手冊中選擇在廠家的產品手冊中選擇合適的鐵合適的鐵心型號，使其形狀和尺寸滿足要求。心型號，使其形狀和尺寸滿足要求。(3)(3)繞組匝數繞組匝數 通常先計算二次匝數通常先計算二次匝數 S SV V為繞組承受的最大伏為繞組承受的最大伏- -秒面積秒面積 其計算可簡化為電壓和脈沖寬度的乘積其計算可簡化為電壓和脈沖寬度的乘積 不同的電路不同的電路S SV V不同不同: : 正激；半橋、全橋、推挽正激；半橋、全橋、推挽TewSccPA AfBj kVeSNB A0

8、onTVTSu dt2OSeU TNBA22OSeU TNBA(4) 繞組導體截面繞組導體截面 根據流過繞組的電流值和預先選定的電流密度，根據流過繞組的電流值和預先選定的電流密度，即可計算出即可計算出。(5)變壓器設計的其他問題：變壓器設計的其他問題：變壓器勵磁電感和漏感的估算。變壓器勵磁電感和漏感的估算。 ccIAj2011remA NLl 2輸出濾波電路的設計輸出濾波電路的設計 濾波電路：單級濾波電路：單級LC濾波電路，二級濾波電路，二級LC濾波電路濾波電路(1) 濾波電感的設計濾波電感的設計 確定電感量：由輸出電壓、電流和開關頻率，以及電感電確定電感量：由輸出電壓、電流和開關頻率，以及電

9、感電流最大紋波值決定。流最大紋波值決定。 正激電路；正激電路； 半橋、全橋、推挽電路半橋、全橋、推挽電路max2iTSpULk fImax4iTSpULkfI確定電感鐵芯：確定電感鐵芯： AP法確定鐵芯法確定鐵芯 計算繞組匝數：計算繞組匝數： 計算氣隙：計算氣隙： 計算電感繞組的導體截面積計算電感繞組的導體截面積 maxmaxmaxpewccLIIA ABk jmaxmaxpLeLINBA20eLA NlL(2)濾波電容的確定濾波電容的確定 最大紋波有效值為最大紋波有效值為: : 輸出電壓最大紋波有效值輸出電壓最大紋波有效值: : 濾波電容的阻抗：濾波電容的阻抗： 根據產品手冊確定濾波電容：根

10、據產品手冊確定濾波電容：/(2 2)pI2 2cpUxI221()cESESxRLC3開關器件及二極管的設計開關器件及二極管的設計 遵循兩個原則：遵循兩個原則：(1)(1) 電壓和電流都不應超出安全工作區(qū)電壓和電流都不應超出安全工作區(qū)(SOA) 。(2)(2) 結溫不能超過最大結溫結溫不能超過最大結溫 。設計過程：設計過程：計算出器件工作時的電壓和電流峰值。計算出器件工作時的電壓和電流峰值。根據根據SOA初步選擇器件的電壓和電流的大小。初步選擇器件的電壓和電流的大小。估算的器件發(fā)熱功率、熱阻。估算的器件發(fā)熱功率、熱阻。選擇散熱器。選擇散熱器。留有裕量。留有裕量。變壓器二次側整流二極管的設計變壓

11、器二次側整流二極管的設計 二極管的峰值電流二極管的峰值電流 二極管的最大平均電流二極管的最大平均電流 二極管的通態(tài)損耗二極管的通態(tài)損耗 二極管的開關損耗二極管的開關損耗 散熱熱阻散熱熱阻maxmax12pDopIIImaxmaxmaxmaxmax12DoDoDoIDIIIII （正激型電路整流二極管） （正激型電路續(xù)流二極管） （半橋型、全橋型、推挽型電路整流二極管）maxDonDDPIU()DSonoffSPeefJMAMthJ CthC ADonDSTTRRPP變壓器一次側開關器件的設計變壓器一次側開關器件的設計 開關器件的峰值電流開關器件的峰值電流 開關器件的最大平均電流開關器件的最大平

12、均電流 開關器件的通態(tài)損耗開關器件的通態(tài)損耗 開關器件的開關損耗開關器件的開關損耗 散熱熱阻散熱熱阻 maxmax1()/2pSopTIIIkmaxmaxmaxmaxmaxmax/1/2SoTSoTIDIkIDIk （正激電路） （半橋型、全橋型、推挽型電路）maxSonSSPIU()SSonoffSPeefJMAMthJ CthCASonSSTTRRPP4主電路設計實例主電路設計實例 技術要求：技術要求： 輸入電壓：交流三相輸入電壓：交流三相38010V，50Hz。 輸出電壓：額定直流輸出電壓：額定直流220V，調節(jié)范圍，調節(jié)范圍160280V 輸出電流：最大輸出電流：最大10A。 輸出紋波

13、：紋波系數不大于輸出紋波：紋波系數不大于0.5。 工作溫度：工作溫度：040。 (1)主電路的選型主電路的選型 根據功率選擇根據功率選擇全橋型電路；根據輸出電壓，變壓器二全橋型電路；根據輸出電壓，變壓器二次側應采用全橋型整流電路。次側應采用全橋型整流電路。 (2)變壓器的設計變壓器的設計電壓比電壓比kT ：輸入側最小整流電壓、最高占空比、：輸入側最小整流電壓、最高占空比、最高最高輸出電壓輸出電壓 、二次壓降二次壓降的計算。的計算。 kT1.4 鐵心的選取鐵心的選取 ：開關頻率、鐵芯材料、：開關頻率、鐵芯材料、B、導體電流密導體電流密度、窗口填充因數的確定；選擇鐵心型號為度、窗口填充因數的確定；

14、選擇鐵心型號為EE65EE65 繞組匝數和截面積繞組匝數和截面積：根據電路確定最大伏：根據電路確定最大伏- -秒面積、秒面積、B、鐵心截面積，計算鐵心截面積，計算N N2 2=37=37匝，匝，N Nl l=52=52匝匝 根據電流值和選定的電流密度確定導體的截面積，根據電流值和選定的電流密度確定導體的截面積， A Ac2c2=2.5mm=2.5mm2 2 ，A Aclcl=1.8mm=1.8mm2 2 (3)輸出濾波電路的設計輸出濾波電路的設計 濾波電感的設計：濾波電感的設計： 電感量計算電感量計算：確定輸出電壓最大值確定輸出電壓最大值、開關頻率、開關頻率、允許的電感電流最允許的電感電流最大

15、紋波峰峰值大紋波峰峰值 ；L=0.7mH 鐵芯設計鐵芯設計：確定電感值、電流最大值、電流最大峰值、磁通密度最確定電感值、電流最大值、電流最大峰值、磁通密度最大值、電流密度、填充系數；鐵芯材料；大值、電流密度、填充系數；鐵芯材料；EE55B：鐵心截面積為鐵心截面積為3.5710-4m2，窗口面積為，窗口面積為3.6910-4m2 計算繞組匝數計算繞組匝數：確定電感值、電流最大峰值、磁通密度最大值、確定電感值、電流最大峰值、磁通密度最大值、鐵鐵心截面積；心截面積；N NL L=72=72匝匝 計算氣隙計算氣隙 ：確定確定鐵心截面積、繞組匝數、鐵心截面積、繞組匝數、電感值；電感值；l=3.3mm /

16、2 計算繞組的導體截面計算繞組的導體截面：確定電感電流和電流密度；確定電感電流和電流密度；A AcLcL=2.5mm=2.5mm2 2 濾波電容的確定：濾波電容的確定： 由電感電流最大紋波有效值、輸出電壓最大紋波有效值確由電感電流最大紋波有效值、輸出電壓最大紋波有效值確定容抗定容抗x xc c1.11.1 ；根據產品手冊選擇滿足條件的電容。；根據產品手冊選擇滿足條件的電容。 (4)開關器件及二極管的設計開關器件及二極管的設計 1)變壓器二次側整流二極管的設計：變壓器二次側整流二極管的設計： 電壓值電壓值：由一次側最大整流電壓，變比，過電壓、浪：由一次側最大整流電壓，變比，過電壓、浪涌確定，不小

17、于涌確定，不小于600V。 電流值電流值：峰值電流峰值電流 11A ，最大平均電流最大平均電流5A5A，考慮裕量，考慮裕量額定電流大于額定電流大于1010A A。 損耗損耗：通態(tài)損耗：通態(tài)損耗10W 10W 、開關損耗、開關損耗20W 20W 散熱熱阻散熱熱阻：由損耗功率、結溫和環(huán)境溫度確定，小于：由損耗功率、結溫和環(huán)境溫度確定，小于2.6K/W 2.6K/W 根據產品手冊，確定型號。根據產品手冊，確定型號。 2)開關器件的設計：開關器件的設計：器件類型：器件類型：電力電力MOSFET 電壓值電壓值：整流電壓峰值，過電壓、浪涌確定，不小于：整流電壓峰值，過電壓、浪涌確定，不小于800V電流值電

18、流值：允許峰值電流大于允許峰值電流大于7.8A7.8A，平均電流大于，平均電流大于3.23.2A A損耗損耗：通態(tài)損耗：通態(tài)損耗18.15W 18.15W 、開關損耗、開關損耗27.227.2W W 散熱熱阻散熱熱阻：由損耗功率、結溫和環(huán)境溫度確定，小于：由損耗功率、結溫和環(huán)境溫度確定，小于2.22.2K/WK/W根據產品手冊，確定型號根據產品手冊，確定型號7.2.4反激型電路的主電路元器件參數的確定反激型電路的主電路元器件參數的確定 1.變壓器的設計變壓器的設計 電壓比：電壓比： 最大占空比（最大占空比（臨界時）：臨界時）： 變壓器一次電流峰值變壓器一次電流峰值 ： 變壓器一次電感值變壓器一

19、次電感值：maxmaxsiToUUkUmaxminToToik UDk UU1maxmax2(1)opTIIkDmaxmax11maxispDULf I根據公式設計變壓器：根據公式設計變壓器：ApAp法法繞組的匝數：繞組的匝數：氣隙：氣隙： 21maxmax2pewccL IA ABk j1max1maxpeL INBA2011eA NlL2開關器件的設計開關器件的設計 峰值電流：峰值電流：I Ip1maxp1max 平均值平均值 ：通態(tài)損耗通態(tài)損耗 ：開關損耗開關損耗 ：散熱熱阻散熱熱阻 ：1maxmaxmaxmax2(1)poSTIDDIIkDmaxSonSSPIU()SSonoffSPe

20、efJMAMthJ CthCASonSSTTRRPP輸出整流二極管設計：輸出整流二極管設計： 峰值電流：峰值電流： kTIp1max平均值：平均值： IDIo 通態(tài)損耗通態(tài)損耗 ： 開關損耗開關損耗 ： 散熱熱阻散熱熱阻 ：DonDDPI U()DSonoffSPeefJMAMthJ CthCADonDSTTRRPP7.3 熱設計和結構設計熱設計和結構設計 7.3.1 開關器件和二極管的熱設計開關器件和二極管的熱設計 1開關器件的傳熱過程開關器件的傳熱過程 管芯的熱量：管芯管殼散熱器臺面管芯的熱量：管芯管殼散熱器臺面散熱器散熱面空氣環(huán)境散熱器散熱面空氣環(huán)境 溫差、熱阻和發(fā)熱功率間的關系溫差、熱

21、阻和發(fā)熱功率間的關系 2結結殼熱阻殼熱阻RthJ-C的選擇原則的選擇原則 電流容量大成本高；并聯或電路多重化電流容量大成本高；并聯或電路多重化成本高、均流成本高、均流 3散熱器熱阻散熱器熱阻RthC-A的設計原則的設計原則 增大散熱面積體積、重量和成本；強增大散熱面積體積、重量和成本；強制風冷成本、可靠性和噪聲制風冷成本、可靠性和噪聲 ()JAthJ CthC AthTTRRP7.3.2 變壓器和電抗器的熱設計變壓器和電抗器的熱設計 損耗損耗 散熱散熱鐵心和繞組的溫度鐵心和繞組的溫度上升上升鐵心鐵心材料特性、繞組絕緣材料特性改變材料特性、繞組絕緣材料特性改變 (1)鐵損：鐵損：磁滯損耗和渦流損

22、耗磁滯損耗和渦流損耗 設計方法：設計方法：在給定工作頻率、最大工作磁通密度下，在給定工作頻率、最大工作磁通密度下，查查單位重量或單位體積的損耗功率值，乘以磁心的重單位重量或單位體積的損耗功率值，乘以磁心的重量或體積。量或體積。 (2)銅損銅損：繞組電阻的損耗繞組電阻的損耗 溫升：溫升：2CuACpRIpTAh7.3.3 機箱結構的設計機箱結構的設計 考慮因素：考慮因素： 機械強度、重量、散熱、屏蔽、美觀、標機械強度、重量、散熱、屏蔽、美觀、標準化和裝配、調試、維修是否方便等。準化和裝配、調試、維修是否方便等。 7.4 開關電源輸入回路的設計開關電源輸入回路的設計 1.輸入回路的設計輸入回路的設

23、計 輸入回路結構：電容輸入型，全波整流。輸入回路結構：電容輸入型，全波整流。 設計內容：電容器設計內容：電容器C C1 1 （電容量、紋波、壽（電容量、紋波、壽命）；、整流橋（電流、電壓、功率）；輸命）；、整流橋（電流、電壓、功率）；輸出電壓范圍。出電壓范圍。 電容器電容器C1：經驗公式經驗公式 C C1 1=(400=(400600)600)I Idcdc（ F） 輸出電壓范圍輸出電壓范圍：與輸入電壓、負載、電源側：與輸入電壓、負載、電源側的電阻有關。的電阻有關。電容并聯型整流電路電壓系數：電容并聯型整流電路電壓系數： 整流器的電流有效值、峰值：整流器的電流有效值、峰值： 紋波電壓、電流：紋

24、波電壓、電流： 紋波電壓：紋波電壓： 電源頻率下電源頻率下的紋波電流：的紋波電流： 開關頻率下開關頻率下的紋波電流：的紋波電流： 紋波電流：紋波電流：1dccrItVC22rLacacaIII22rhrmsdcIII2212()()rhrLclrmsIIIKK電容器壽命電容器壽命 ：整流器功耗整流器功耗Prf ： 全波整流橋全波整流橋額定電壓額定電壓：8565()(85 65)/10024TTCLL43acpFonrfIVTPT2.沖擊電流抑制回路的設計沖擊電流抑制回路的設計 產生的原因：電容輸入型回路，瞬間對電容器產生的原因：電容輸入型回路，瞬間對電容器充電。充電。 危害：保護動作，設備過熱

25、、損壞等。危害：保護動作，設備過熱、損壞等。 串聯電阻，抑制在交流輸入電流串聯電阻，抑制在交流輸入電流I Iacac的的5 5倍以下。倍以下。 7.5 開關電源的電磁兼容技術與可靠性設計開關電源的電磁兼容技術與可靠性設計 7.5.1 開關電源的電磁兼容技術開關電源的電磁兼容技術 電磁兼容技術電磁兼容技術：一門新興的跨學科的綜合性應用學科。研究一門新興的跨學科的綜合性應用學科。研究范圍幾乎涉及所有現代化工業(yè)領域。范圍幾乎涉及所有現代化工業(yè)領域。研究的熱點研究的熱點：電磁干擾源的特性及其傳輸特性、電磁干擾的：電磁干擾源的特性及其傳輸特性、電磁干擾的危害效應、電磁干擾的抑制技術、電磁頻譜的利用和管理

26、、危害效應、電磁干擾的抑制技術、電磁頻譜的利用和管理、電磁兼容性標準與規(guī)范、電磁兼容性的測量與試驗技術、電磁兼容性標準與規(guī)范、電磁兼容性的測量與試驗技術、電磁泄漏與靜電放電等。電磁泄漏與靜電放電等。 電磁兼容電磁兼容（EMC）：指設備）：指設備(分系統、系統分系統、系統)在共同的電磁環(huán)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。電磁兼容技術是與管理并重的實用工程學。制定標準和規(guī)范電磁兼容技術是與管理并重的實用工程學。制定標準和規(guī)范電磁兼容三要素電磁兼容三要素：干擾源：干擾源(騷擾源騷擾源)、耦合通路和敏感體。、耦合通路和敏感體。 7.5.2 開關電源的電磁兼

27、容性開關電源的電磁兼容性 耦合通道耦合通道：共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、：共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合及電磁波耦合。磁場耦合及電磁波耦合。干擾源（內部的）干擾源（內部的）：電壓、電流方波；器件：電壓、電流方波；器件高頻高頻開關過程；二極管。開關過程；二極管。開關電源的復雜性開關電源的復雜性： 7.5.3 電磁兼容性研究及解決方法電磁兼容性研究及解決方法 研究方法研究方法：通常實驗、測試，分析研究。：通常實驗、測試，分析研究。從三個方面解決問題從三個方面解決問題：1）減小搔擾源產生的搔）減小搔擾源產生的搔擾信號；擾信號；2）切斷搔擾信號的傳播途徑；）切斷搔擾信號的傳播途徑；3）增）增強受搔擾體的抗搔擾能力。強受搔擾體的抗搔擾能力。具體方法具體方法：濾波電路，改善：濾波電路，改善APFC性能，減小電性能，減小電流電壓的變化率，軟開關；屏蔽，改善縫隙泄流電壓的變化率，軟開關；屏蔽，改善縫隙泄露，接地處理；露，接地