反激開關電源設計解析課件

1、反激式開關電源設計解析（一）第1頁，共27頁。開關電源的拓撲結構分類10W以內常用RCC(自激振蕩)拓撲方式10W-100W以內常用反激式拓撲（75W以上電源有PF值要求）100W-300W 正激、雙管反激、準諧振300W-500W 準諧振、雙管正激、半橋等500W-2000W 雙管正激、半橋、全橋2000W以上 全橋第2頁，共27頁。反激開關電源特點在開關電源市場中,400W以下的電源大約占了市場的70-80%,而其中反激式電源又占大部分,幾乎常見的消費類產品全是反激式電源。 優(yōu)點：成本低,外圍元件少，低耗能，適用于寬電 壓范圍輸入,可多組輸出. 缺點：輸出紋波比較大。(輸出加低內阻濾波電容

2、或加LC噪聲濾波器可以改善)第3頁，共27頁。隔離開關電源框架結構圖EMI整流濾波變壓器次級整流濾波開關器件PWM 控制IC隔離器件采樣反饋輸出高壓區(qū)域低壓區(qū)域第4頁，共27頁。電源電路原理圖第5頁，共27頁。初級側部分第6頁，共27頁。第一個安規(guī)元件保險管作用： 安全防護。在電源出現(xiàn)異常時，為了保護核心器件不受到損壞。技術參數(shù)： 額定電壓V、額定電流I、熔斷時間I2RT。分類： 快斷、慢斷、常規(guī)第7頁，共27頁。保險管的計算方法0.6為不帶功率因數(shù)校正的功率因數(shù)估值Po輸出功率 效率（設計的評估值）Vinmin 最小的輸入電壓2為經驗值，在實際應用中，保險管的取值范圍是理論值的1.53倍。0

3、.98 PF值第8頁，共27頁。關于功率因數(shù) 大部分用電設備中，其工作電壓直接取自交流電網(wǎng)。所以電網(wǎng)中會有許多家用電器、工業(yè)電子設備等等非線性負載，這些用電器在使用過程中會使電網(wǎng)產生諧波電壓和電流。沒有采取功率因數(shù)校正技術的AC-DC整流電路，輸入電流波形呈尖脈沖狀。交流網(wǎng)側功率因數(shù)只有0.50.7，電流的總諧波畸變（THD）很大，可超過100%。采用功率因數(shù)校正技術，功率因數(shù)值為0.999時，THD約為3%。為了防止電網(wǎng)的諧波污染，或限制電子設備向電網(wǎng)發(fā)射諧波電流，國際上已經制定了許多電磁兼容標準，有IEEE519、IEC1000-3-2等。 功率因數(shù)的校正(PFC)主要有兩種方法：無源功率

4、因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。無源功率因數(shù)校正利用線性電感器和電容器組成濾波器來提高功率因數(shù)、降低諧波分量。這種方法簡單、經濟，在小功率中可以取得好的效果。但是，在較大功率的供電電源中，大量的能量必須被這種濾波器儲存和管理，因此需要大電感器和電容器，這樣體積和重量就比較大也不太經濟，而且功率因數(shù)的提高和諧波的抑制也不能達到理想的效果。有源功率因數(shù)校正是使用所謂的有源電流控制功率因數(shù)的校正方法，可以迫使輸入電流跟隨供電的正弦電壓變化。這種功率因數(shù)校正有體積小、重量輕、功率因數(shù)可接近1等優(yōu)點。相關知識第9頁，共27頁。NTC的作用NTC是以氧化錳等為主要原料制造的精細半導體電子陶瓷元件。電阻值隨溫度

5、的變化呈現(xiàn)非線性變化，電阻值隨溫度升高而降低。利用這一特性，在電路的輸入端串聯(lián)一個負溫度系數(shù)熱敏電阻增加線路的阻抗，這樣就可以有效的抑制開機時產生的浪涌電壓形成的浪涌電流。當電路進入穩(wěn)態(tài)工作時，由于線路中持續(xù)工作電流引起的NTC發(fā)熱，使得電阻器的電阻值變得很小，對線路造成的影響可以完全忽略。第10頁，共27頁。NTC的選擇公式 對上面的公式解釋如下： 1. Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值； 2. Rn是熱敏電阻在Tn常溫下的標稱阻值； 3. B是材質參數(shù)；(常用范圍2000K6000K) 4. exp是以自然數(shù) e 為底的指數(shù)（ e =2.71828 ）； 5. 這里T1和Tn指的是K度即

6、開爾文溫度，K度=273.15(絕對溫度)+攝氏度； 此外，還要注意其允許通過的最大電流值第11頁，共27頁。壓敏電阻的作用壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。主要作用：過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導體元器件等。主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結電容、響應時間等。壓敏電阻的響應時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管（瞬間抑制二極管）稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護其響應速度可以滿足要求。 第12頁，共27頁。選取

7、壓敏電阻的方法壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流，在用作過壓保護時必須考慮到這一點。壓敏電阻的選用，一般選擇標稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個參數(shù)。 a 為電路電壓波動系數(shù)，一般取值1.2.Vrms 為交流輸入電壓有效值。b 為壓敏電阻誤差，一般取值0.85.C 為元件的老化系數(shù)，一般取值0.9.2 為交流狀態(tài)下要考慮峰峰值。V1mA 為壓敏電阻電壓實際取值近似值通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25情況下，對于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化不超過 10時的最大脈沖電流值。 第13頁，共27頁。選取壓敏電阻的方法結合前面所述，

8、來看一下本電路中壓敏電阻的型號所對應的相關參數(shù)。第14頁，共27頁。EMI電路X電容，共模電感（也叫共模扼流圈 ），Y電容根據(jù)IEC 60384-14,安規(guī)電容器分為X電容及Y電容:1. X電容是指跨與L-N之間的電容器, 2. Y電容是指跨與L-G/N-G之間的電容器. 第15頁，共27頁。安規(guī)電容之-X電容X電容多選用耐紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容。這種類型的電容,體積較大,但其允許瞬間充放電的電流也很大,而其內阻相應較小。X電容容值選取是uF級，此時必須在X電容的兩端并聯(lián)一個安全電阻,用于防止電源線拔插時,由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電。 安全標準規(guī)定,當正在工作之中的

9、機器電源線被拔掉時,在1秒鐘內,電源線插頭兩端帶電的電壓(或對地電位)必須小于原來額定工作電壓的37%。作為安全電容之一的X電容,也要求必須取得安全檢測機構的認證。X電容一般都標有安全認證標志和耐壓AC250V或AC280V字樣,但其真正的直流耐壓高達2000V以上,使用的時候不要隨意使用標稱耐壓AC250V或者DC400V之類的的普通電容來代用。第16頁，共27頁。安規(guī)電容之-X電容X電容主要用來抑制差模干擾安全等級 峰值脈沖電壓 等級（IEC664） X1 2.5kV 4.0kV X2 2.5kV X3 1.2kV X電容沒有具體的計算公式，前期選擇都是依據(jù)經驗值，后期在實際測試中，根據(jù)測

10、試結果做適當?shù)恼{整。第17頁，共27頁。安規(guī)電容之-Y電容交流電源輸入分為3個端子：火線（L）/零線（N）/地線（G）。在火線和地線之間以及在零線和地線之間并接的電容, 這兩個Y電容連接的位置比較關鍵,必須需要符合相關安全標準, 以防引起電子設備漏電或機殼帶電,容易危及人身安全及生命。它們都屬于安全電容,從而要求電容值不能偏大,而耐壓必須較高。Y電容主要用于抑制共模干擾Y電容的存在使得開關電源有一項漏電流的電性指標。I類設備,要求對地漏電電流不能超過0.75mA;II類設備,要求對地漏電電流不能超過0.25mA 。因此,Y電容的總容量一般都不能超過2200PF（222）。第18頁，共27頁。Y

11、電容的作用及取值經驗Y電容底下又分為Y1, Y2, Y3，Y4, 主要差別在于: 1. Y1耐高壓大于8 kV,屬于雙重絕緣或加強絕緣|額定電壓范圍 250V 2. Y2耐高壓大于5 kV,屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍150V 250V 3. Y3耐高壓 2.5KV 5KV 屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍150V 250V 4. Y4耐高壓大于2.5 kV屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍150VGJB151中規(guī)定Y電容的容量應不大于0.1uF。Y電容除符合相應的電網(wǎng)電壓耐壓外，還要求這種電容器在電氣和機械性能方面有足夠的安全余量，避免在極端惡劣環(huán)境條件下出現(xiàn)擊穿短路現(xiàn)象，Y電

12、容的耐壓性能對保護人身安全具有重要意義。 第19頁，共27頁。共模電感的作用共模電感上，A和B就是共模電感線圈。這兩個線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制方向向反)。這樣，當電路中的正常電流流經共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼)；當有共模電流流經線圈時，由于共模電流的同向性，會在線圈內產生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產生較強的阻尼效果，以此衰減共模電流，抑制高速信號線產生的電磁波向外輻射發(fā)射，達到濾波的目的。第20頁，共27頁。共模電感的設計第一步： 確定客戶的規(guī)格要求 ，

13、EMI允許級別第二步： 電感值的確定 第三步： core（磁芯）材質及規(guī)格確定 第四步：繞組匝數(shù)及線徑的確定 第五步：打樣第六步：測試 第21頁，共27頁。共模電感的設計EMI等級 : Fcc Class B EMI測試頻率：傳導150KHz30MHz。EMC測試頻率: 30MHz3GHz。實際的濾波器無法達到理想濾波器那樣陡峭的阻抗曲線，通?？蓪⒔刂诡l率設定在50KHz左右。在此，假設Fo=50KHz。L1/(2 f)2*C第22頁，共27頁。共模磁芯的選擇以上，得出的是理論要求的電感值，若想獲得更低的截止頻率，則可進一步加大電感量，截止頻率一般不低于10KHz。理論上電感量越高對EMI抑制效果越好，但過高的電感將使截止頻率將的更低，而實際的濾波器只能做到一定的帶寬，也就使高頻雜訊的抑制效果變差（一般開關電源的雜訊成分約為510MHz之間）。另外，感量越高，則繞線匝數(shù)越多，就要求磁芯的ui值越高，如此將造成低頻阻抗增加。此外，匝數(shù)的增加使分布電容也隨之增大，使高頻電流全部經過匝間電容流通，造成電感發(fā)熱。同時在生產上，