基于PQ35的開關(guān)電源設(shè)計(jì)及制作

1、基于PQ35的開關(guān)電源設(shè)計(jì)及制作1引言 開關(guān)電源從上世紀(jì)50年代問世至今以體積小、效率高而廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信裝備等幾乎所有的電子設(shè)備。其種類繁多、形式多樣，發(fā)展趨勢也朝著小體積、高效率、低成本的方向發(fā)展。這里介紹的3 00 W開關(guān)電源屬于隔離型硬開關(guān)、半橋式開關(guān)電源，在較低電壓(1 4V)和較大電流(2 2A)輸出的條件下有很好的效率及輸出指標(biāo)，對(duì)核心器件(例如高頻變壓器)進(jìn)行了合理的參數(shù)及繞制工藝設(shè)計(jì)。 高頻變壓器是開關(guān)電源中核心能量轉(zhuǎn)換部件，它和普通工頻變壓器一樣也是通過磁耦合來傳輸能量的。不過在這種功率變壓器中實(shí)現(xiàn)磁耦合的磁路不是普通變壓器中的硅鋼片，而是在高頻情況下工作的磁導(dǎo)率較高

2、的鐵氧體磁芯或鈹莫合金等磁性材料，其目的是為了獲得較大的勵(lì)磁電感、減小磁路中的功率損耗，使之能以最小的損耗和相位失真?zhèn)鬏斁哂袑掝l帶的脈沖能量1。鐵氧體磁芯有EC、EE、EDT、EP、 EPC、 EF、 EI、 PQ、 RM、 P、LP等多種型號(hào)，應(yīng)用于各種不同的要求，其中PQ型磁芯具有磁屏蔽好的優(yōu)點(diǎn)，減小了電磁干擾(EMI)的傳播，特別適用于開關(guān)電源變壓器，在50W1 000W范圍內(nèi)的效果較好。2用PQ35/35制作300W半橋式變換器高頻開關(guān)電源2.1 300W(14V、22A)半橋式開關(guān)電源原理圖3 00 W(1 4 V、 2 2 A)半橋式開關(guān)電源原理圖如圖1所示。由原理圖可看出，3 0

3、0 W半橋式開關(guān)電源主要由兩只功率管IRFP460LC、高頻變壓器PQ3535(PC40材質(zhì))、輸出整流濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、控制電路(篇幅所限本圖未給出)以及輔助電源等組成。關(guān)于半橋式開關(guān)電源原理許多書籍已詳細(xì)說明，本文不再嗷述，下面詳細(xì)說明高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)和繞制工藝。22 300W半橋式開關(guān)電源高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)與繞制半橋式高頻變壓器的磁化特性工作在第一、三象限，磁通變化從一Bm到+Bm，屬于對(duì)稱式工作變壓器，無需加氣隙。(1)估算PQ35磁芯的功率容量開關(guān)電源變壓器功率容量計(jì)算式為2：式中PT變壓器的視在功率，對(duì)于半橋式PT=(1 +14 1 4)P。，其中取效率=8 5，

4、Po=300W， 則PT=777w；Ko窗口的銅填充系數(shù)，取05：Kf波形系數(shù)，方波時(shí)取4；Fw開關(guān)頻率，本例為1 00KHz：Bw磁芯工作磁通密度，一般取13飽和磁通密度，本例采用P C 4 0材質(zhì)，飽和磁密G s=039T(1 00)， 取Bw=01 3T：Kj電流密度比例系數(shù)，一般取400：X常數(shù)，由所選磁芯確定，可取一01 2。則A P(7 7 7*1 0405*4*1 00*1 03*01 3*4 00)1.14072cm4。也可以由下式計(jì)算3：式中Pt變壓器的標(biāo)稱輸出功率,可取1.5Po為450W;變壓器的效率,這里取85：f開關(guān)頻率，本例為1 00KH z：Bm磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)

5、度，取1 500GS：漆包線的電流密度，1 00KHz頻率可取6Amm2：Km窗口的銅填充系數(shù)，取05：Kc磁芯填充系數(shù)，可取10。則A P=4 5 0*1 06(2*08 5*1 00*1 03*1 5 00*4*05*1)059cm4。而查表P Q 3 53 5的A P=43 c m4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足功率容量要求，之所以選PQ35也是為以后加大輸出功率做準(zhǔn)備。(2)計(jì)算原邊繞組匝數(shù)原邊繞組匝數(shù)可由下面公式計(jì)算：式中Kf波形系數(shù)，方波時(shí)取Pt變壓器的標(biāo)稱輸出功 4；率，可取15Po為4sow； Fw-開關(guān)頻率，本例為1-變壓器的效率，這里 1ooKH z：Bw磁芯工作磁通密度，取01 3T；Ae

6、磁芯有效面積，PQ3535為196mm2；V變壓器原邊電壓，本例中V=250*132=1 625V。則Np=1 6 254*1 00*1 08*01 3*1 9 6*1 0-6 1 59，取整1 6匝。后來經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，取20匝比較合適。(3)計(jì)算原、副邊繞組匝數(shù)比及副邊繞組可按下式計(jì)算半橋式高頻變壓器的原、副邊匝數(shù)比：式中Np-原邊繞組匝數(shù)Ns-副邊繞組匝數(shù)Vi n mi n-最小輸入直流電壓，在交流1 9 0 V加載下約為1 90*13=247V。V o p變壓器應(yīng)輸出電壓，為電源輸出電壓Vo、整流二級(jí)管正向壓降Vdf和濾波電感直流壓降V L三項(xiàng)之和除以占空比D，即Vop=(Vo+Vdf十VL

7、)D。在本例中Vo=14V、V df=07V、VL。=02V、D=08，則 Vop=(1 4+07+02)08=18625V則NpNs=12*2471862566。副邊繞組Ns=NP66=2066 3匝，在實(shí)驗(yàn)中2 0：3的匝比取得了很好的效果。(4)線徑和根數(shù)的選取原邊繞組電流為I p=2 P oVs；Po=Vop*22=149*22=327W；Vs=Vin min*=247*98=2420 6，其中為變壓器的效率；則 I p=2*3 2 72 4 20.627A?？紤]趨膚效應(yīng)，在l00KHzl00下穿透深度為=76 5F1/20242mm4，2=0484mm， 應(yīng)選擇直徑不超過0484mm

8、的漆包線?？紤]有漆的厚度，實(shí)際中選取了049mm的高強(qiáng)度漆包線。取電流密度J=6Amm2，則單根o49mm線徑漆包線可通過電流為：I=JD24=6*31 4*049*049411 3A則初級(jí)可用3根并聯(lián)。次級(jí)為I p*NpN sI1 6根。因?yàn)榇渭?jí)的電流比較大(2 2A)，也可用銅箔繞制。(5)高頻變壓器的繞制高頻變壓器的繞制在制作開關(guān)電源過程中是很復(fù)雜的，當(dāng)功率管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí)，由漏感存儲(chǔ)的能量釋放會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰，容易造成器件的損壞、并且惡化效率，所以要盡量使變壓器的漏感降到最小。這里采用的是“三明治”繞法，即先繞初級(jí)的一半，再繞次級(jí)，然后繞初級(jí)的另一半。這樣初級(jí)將次級(jí)包在里面，可以

9、增加耦合，減小漏感。另外采用多股線絞合的方法，在不同的截面，每一股線交換位置，有利于電流均衡；還可以增加線材的表面積，減小高頻電阻，有利于降低溫升。3 0 0 W主功率高頻變壓器用04 9mm線徑高強(qiáng)度漆包線，初級(jí)用3根絞線后先繞最里面的1 0圈，纏2圈膠帶。接著繞中間的次級(jí)，用1 6根絞線后繞3圈，甩出中心抽頭，再按原方向繞3圈，這樣可在同一平面上繞完次級(jí)，只是中心抽頭的來回兩根線有些稍鼓出來一些，之后再纏2圈膠帶。然后繞初級(jí)的后1 0圈，纏3圈膠帶。繞制的時(shí)候應(yīng)盡量使線均勻分布，制作完成后測量電感量為初級(jí)127mH；兩個(gè)次級(jí)5 5H。實(shí)踐證明，這樣繞制的變壓器漏感很小，原、副邊漏感只有幾個(gè)

10、H。(6)驅(qū)動(dòng)變壓器的繞制驅(qū)動(dòng)變壓器采用罐型磁芯P2318，罐型磁芯的特點(diǎn)是在所有類型的磁芯中具有最好的磁屏蔽效果，但是也具有最差的散熱能力，因此比較適合用來制作小功率的驅(qū)動(dòng)變壓器。驅(qū)動(dòng)變壓器用02mm線徑，單根。先繞高橋開關(guān)管的20圈，中間繞原邊的初級(jí)20圈，最后繞低橋開關(guān)管的20圈。這是另一種采用次級(jí)一初級(jí)一次級(jí)的繞法，同樣可以有效地減小漏感。制好后測量電感量大概有13mH左右。(7)扼流圈的計(jì)算扼流圈是開關(guān)電源二次輸出級(jí)主要功率器件，也是影響輸出電壓指標(biāo)的重要因素，過大的電感量會(huì)使輸出的動(dòng)態(tài)特性變差，而過小的電感量又會(huì)使輸出的紋波指標(biāo)率差，因此必須選取合適的電感量。粗略地可按下面公式計(jì)算

11、：式中P輸出功率；F開關(guān)頻率；I輸出電流。則電感量為L=2*Pf*I2=2*3 00(1 00*1 03*2 22)，1 2 H。3紋波抑制和EHI紋波和E M I是開關(guān)電源中的重要指標(biāo)，可以說是直接評(píng)價(jià)制作電源好壞的標(biāo)志，因此紋波抑制和減小EM I是每個(gè)電源制作者都要絞盡腦汁去解決的。下面是300w電源的一些解決方法。(1)300w開關(guān)電源在輸入級(jí)加入了EMI電源噪聲濾波器。電源EMI噪聲濾波器是一種無源低通濾波器，它無衰減地將交流電傳輸?shù)诫娫?，而大大衰減隨交流電傳入的E M I噪聲；同時(shí)又能有效地抑制電源設(shè)備產(chǎn)生的EM I噪聲，阻止它們進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它電子設(shè)備，降低傳導(dǎo)搔擾。(2)在輸

12、出級(jí)加入了一級(jí)抑制紋波噪聲的共模扼流圈。使流出的電流和流回的電流在一個(gè)小磁環(huán)上產(chǎn)生相反的感應(yīng)磁通，使其相互抵消，極大地消除了輸出的高頻噪聲。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，未加共模扼流圈的輸出電壓用示波器會(huì)看到有20 0mVp-p的高頻噪聲，加入后只有十幾mVp-p。(3)其它的抑制措施。包括在輸入級(jí)串接NT C防電網(wǎng)浪涌電阻、在功率開關(guān)管和輸出整流二極管以及高頻變壓器初級(jí)接入RC吸收網(wǎng)絡(luò)、使用超快恢復(fù)肖特基二極管等等，都可以有效地減小電壓尖峰、抑制高頻噪聲。4結(jié)束語3 00W開關(guān)電源是一款實(shí)用的半橋式硬開關(guān)電源，其效率達(dá)到85，輸出紋波在交流2 20V輸入滿載(1 4 V、2 2 A)下只有80MVPP，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，已在通信中繼臺(tái)上做過24