正激式電源原理設(shè)計(jì)教學(xué)課件

正激式電源概述一般DC/DC模塊電源，功率級(jí)一般從幾瓦到幾十瓦，輸出電壓從幾伏至上百伏，對(duì)于幾十瓦的電源，一般以低壓大電流為主，有5V/10A、5V/6A、3.3V/8A等規(guī)格，效率一般在80％左右（具體視輸出電壓大小可以按要求設(shè)計(jì)）。因?yàn)槟K電源要求MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）1000000小時(shí)以上，所以要盡量避免使用電解電容，最好使用陶瓷電容。陶瓷電容容量不大，具有非常好的高頻特性。此外，DC/DC模塊電源的厚度要求小于12.7mm，所以對(duì)變壓器的要求高，磁芯必須具有扁平的形狀和在高頻情況下具有較小的損耗因子。12022/10/29正激式電源概述一般DC/DC模塊電源，功率級(jí)一般從幾瓦到幾十磁性材料選擇說(shuō)明通常選用的芯材有TDK的PC40/44、PC50或菲利浦的3F3、3F4，國(guó)產(chǎn)的如金寧R2KD、R2KBD、R2KB1還有南京新康達(dá)HP2、HP3等。形狀以罐型為主，因?yàn)楣扌痛判揪哂休^好的屏蔽，EMI中的棘手問(wèn)題——輻射也就好解決得多了。同時(shí)不能使局部溫度太高，必須均衡放置發(fā)熱元件，另外還要求較低的紋波和較高的效率等，所有這些挑戰(zhàn)使得采用正激式必較合適。22022/10/29磁性材料選擇說(shuō)明通常選用的芯材有TDK的PC40/44、PC電路原理的框圖32022/10/29電路原理的框圖32022/10/22正激式電路工作原理1

一般正激式

上圖所示為單端正激式電路，它猶如帶變壓器的Buck型變換器。輸出電壓UO由N2/N1、占空比D和輸入電壓確定，即：Uo=（Ns/Np）×D×Uin。

當(dāng)PWM控制器輸出正脈沖，功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，變壓器的初級(jí)繞組流過(guò)電流，此電流由兩部分組成：第一部分為磁化電流，即流經(jīng)等效開(kāi)環(huán)電感上的電流；第二部份是與輸出電流等效的初級(jí)電流，它和初次級(jí)匝比成反比，和輸出電流成正比。42022/10/29正激式電路工作原理1一般正激式

上圖所示為單端正激式電正激式電路工作原理2儲(chǔ)存在電感上的能量必須在功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷后下一次開(kāi)啟前泄放掉，以便使磁通復(fù)位。N3即為去磁繞組，一般N3=N1。如果設(shè)計(jì)一個(gè)36V至72V直流輸入、5V/6A輸出的模塊電源，當(dāng)去磁繞組與初級(jí)繞組的匝比為1時(shí)，Udsr=72V＋72V=144V。選用反峰Uds為200V的IRF630場(chǎng)效應(yīng)管，僅有50V的裕量用于承受異常時(shí)和疊加在此電壓上的尖峰脈沖。場(chǎng)效應(yīng)管的Rds與允許的Udsr成反比，如IRF630的Rds是0.4Ω,而耐壓為100V的同系列產(chǎn)品IRF530N為0.11Ω。很顯然，對(duì)寬范圍輸入的電源設(shè)計(jì)選用高耐壓的場(chǎng)效應(yīng)管（最高輸入直流電壓Uimax×2使用）僅僅是為了對(duì)付高端輸入有點(diǎn)不太經(jīng)濟(jì)。52022/10/29正激式電路工作原理2儲(chǔ)存在電感上的能量必須在功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷后下變壓器復(fù)位電路62022/10/29變壓器復(fù)位電路62022/10/22變壓器復(fù)位電路分析上圖中，若開(kāi)關(guān)晶體管Tr1截至，則變壓器Np繞組產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，二極管Dr導(dǎo)通，同時(shí)對(duì)Cr充電，Rr與Cr并聯(lián)，Cr上的電荷被Rr消耗。變壓器實(shí)現(xiàn)復(fù)位的條件是Rr所消耗的功率等于變壓器所儲(chǔ)存的能量，設(shè)Cr的電壓為Vr，則：

Vr=√（Rr×f/2Lp）×Vin×Ton設(shè)變壓器復(fù)位時(shí)間為tr，則復(fù)位條件為：Vin×Ton=Vr×tr，同時(shí)復(fù)位的動(dòng)作必須在Tr1的OFF期間內(nèi)結(jié)束，那么絕對(duì)條件就是：tr≦Toff可見(jiàn)Rr過(guò)大，復(fù)位電壓Vr將迅速上升，復(fù)位要在很短的時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)取Vr=Vin。72022/10/29變壓器復(fù)位電路分析上圖中，若開(kāi)關(guān)晶體管Tr1截至，則變壓器N采用變壓器繞組復(fù)位電路上述RDC復(fù)位電路，由于變壓器存儲(chǔ)的能量全部被電阻Rr所消耗，結(jié)果成了無(wú)用功。采用復(fù)位繞組N3，可以實(shí)現(xiàn)能量的回收。由于復(fù)位繞組N3的端電壓被嵌位為輸入電壓Vin，那么初級(jí)繞組Np產(chǎn)生復(fù)位電壓Vr為：Vr=Np×Vin/Nr

只要減少?gòu)?fù)位繞組的匝數(shù)，即可使Vr上升，從而在很短的時(shí)間tr內(nèi)完成變壓器復(fù)位。由于MOS管和二極管的耐壓條件有限，一般取Vr=Vin，因此Np=Nr。82022/10/29采用變壓器繞組復(fù)位電路上述RDC復(fù)位電路，由于變壓器存儲(chǔ)的能正激式變壓器的設(shè)計(jì)正激式變壓器上與反激式差不多，只是增加了一組磁芯復(fù)位繞組，這里的N3和圓邊繞組匝數(shù)相同即可。正激式變壓器輸出的特點(diǎn)是：輸出變壓器初級(jí)和次級(jí)的極性相同，開(kāi)關(guān)管ON期間，向輸出一側(cè)傳輸電能。次級(jí)整流電路采用扼流線圈輸入型平均值整流方式。92022/10/29正激式變壓器的設(shè)計(jì)正激式變壓器上與反激式差不多，只是增加了一變壓器的參數(shù)計(jì)算1計(jì)算工作周期：

T=1/f這里的，f：開(kāi)關(guān)的工作周期；最大導(dǎo)通時(shí)間：

Tonmax=T×Dmax這里的，對(duì)于正激式，Dmax：0.4~0.45較好，一般取0.42；變壓器的次級(jí)電壓計(jì)算：

Voutmin=（Vout+VL+VD）×T/TonVoutmin：次級(jí)最小輸出電壓，V；

Vout：輸出電壓，一般是給定值；

VL：輸出電感壓降，一般取0.2V；

VD：輸出整流二極管壓降，0.5~0.8V；102022/10/29變壓器的參數(shù)計(jì)算1計(jì)算工作周期：102022/10/22變壓器的參數(shù)計(jì)算2變壓器的匝比計(jì)算：一般要把交流換算成直流才計(jì)算：

Vinmin（dc)=Vacmin×1.4×0.9所以變壓器的匝比：

N=Voutmin/Vinmin變壓器的次級(jí)匝數(shù)計(jì)算：

Ns=（Voutmin×Tonmax）×104/（Bmax×Ae）Bmax：最大工作磁通密度，取Bsat/2=Bmax；Ae：磁芯有效截面積，mm2；變壓器的初級(jí)匝數(shù)計(jì)算：

Np=（Vinmin×Tonmax）×104

/（Bmax×Ae）112022/10/29變壓器的參數(shù)計(jì)算2變壓器的匝比計(jì)算：112022/10/22變壓器的參數(shù)計(jì)算3變壓器的電感量計(jì)算：

L=Np2×AL×106（uH）這里的，AL：電感量系數(shù)；磁芯的選擇：

AP=Ae×Ac=Pt×106/2×η×Bmax×d×Km×Kc這里的，（計(jì)算出AP值后，選磁芯時(shí)要選用2倍以上才可以）Bmax：最大工作磁通密度，取Bsat/2=Bmax，（T）；Pt：輸出功率的平均值，（W）；d：導(dǎo)線的載流能力，（5A/mm2）；Km：窗口的填充系數(shù)，0.2~0.4；Kc：磁芯的填充系數(shù)，鐵氧體為1；計(jì)算出來(lái)的AP值，再選用Ae時(shí)要稍大一些。122022/10/29變壓器的參數(shù)計(jì)算3變壓器的電感量計(jì)算：122022/10/2輸出濾波器的計(jì)算扼流圈的計(jì)算：

ΔIL=（Voutmin-（Vd+Vout））Tonmax/L一般ΔIL取輸出電流Iout的10~30%，我們一般取20%；所以得：L=（Voutmin-（Vd+Vout））Tonmax/ΔIL

計(jì)算線徑時(shí)可以按5A/mm2。輸出電容的計(jì)算：一般輸出紋波取Vout的（0.3~0.5%）ΔVR=（0.3~0.5）×Vout/100

又因?yàn)椋害R=ΔIL×ESR所以：ESR=ΔVR/ΔIL這里就可以計(jì)算出電容的等效輸出阻抗，也就是在一定的f下，查出ESR的值。作業(yè)題：請(qǐng)收集適合于正激式開(kāi)關(guān)電源的PWM控制IC。132022/10/29輸出濾波器的計(jì)算扼流圈的計(jì)算：132022/10/22正激式電源概述一般DC/DC模塊電源，功率級(jí)一般從幾瓦到幾十瓦，輸出電壓從幾伏至上百伏，對(duì)于幾十瓦的電源，一般以低壓大電流為主，有5V/10A、5V/6A、3.3V/8A等規(guī)格，效率一般在80％左右（具體視輸出電壓大小可以按要求設(shè)計(jì)）。因?yàn)槟K電源要求MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）1000000小時(shí)以上，所以要盡量避免使用電解電容，最好使用陶瓷電容。陶瓷電容容量不大，具有非常好的高頻特性。此外，DC/DC模塊電源的厚度要求小于12.7mm，所以對(duì)變壓器的要求高，磁芯必須具有扁平的形狀和在高頻情況下具有較小的損耗因子。142022/10/29正激式電源概述一般DC/DC模塊電源，功率級(jí)一般從幾瓦到幾十磁性材料選擇說(shuō)明通常選用的芯材有TDK的PC40/44、PC50或菲利浦的3F3、3F4，國(guó)產(chǎn)的如金寧R2KD、R2KBD、R2KB1還有南京新康達(dá)HP2、HP3等。形狀以罐型為主，因?yàn)楣扌痛判揪哂休^好的屏蔽，EMI中的棘手問(wèn)題——輻射也就好解決得多了。同時(shí)不能使局部溫度太高，必須均衡放置發(fā)熱元件，另外還要求較低的紋波和較高的效率等，所有這些挑戰(zhàn)使得采用正激式必較合適。152022/10/29磁性材料選擇說(shuō)明通常選用的芯材有TDK的PC40/44、PC電路原理的框圖162022/10/29電路原理的框圖32022/10/22正激式電路工作原理1

一般正激式

上圖所示為單端正激式電路，它猶如帶變壓器的Buck型變換器。輸出電壓UO由N2/N1、占空比D和輸入電壓確定，即：Uo=（Ns/Np）×D×Uin。

當(dāng)PWM控制器輸出正脈沖，功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，變壓器的初級(jí)繞組流過(guò)電流，此電流由兩部分組成：第一部分為磁化電流，即流經(jīng)等效開(kāi)環(huán)電感上的電流；第二部份是與輸出電流等效的初級(jí)電流，它和初次級(jí)匝比成反比，和輸出電流成正比。172022/10/29正激式電路工作原理1一般正激式

上圖所示為單端正激式電正激式電路工作原理2儲(chǔ)存在電感上的能量必須在功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷后下一次開(kāi)啟前泄放掉，以便使磁通復(fù)位。N3即為去磁繞組，一般N3=N1。如果設(shè)計(jì)一個(gè)36V至72V直流輸入、5V/6A輸出的模塊電源，當(dāng)去磁繞組與初級(jí)繞組的匝比為1時(shí)，Udsr=72V＋72V=144V。選用反峰Uds為200V的IRF630場(chǎng)效應(yīng)管，僅有50V的裕量用于承受異常時(shí)和疊加在此電壓上的尖峰脈沖。場(chǎng)效應(yīng)管的Rds與允許的Udsr成反比，如IRF630的Rds是0.4Ω,而耐壓為100V的同系列產(chǎn)品IRF530N為0.11Ω。很顯然，對(duì)寬范圍輸入的電源設(shè)計(jì)選用高耐壓的場(chǎng)效應(yīng)管（最高輸入直流電壓Uimax×2使用）僅僅是為了對(duì)付高端輸入有點(diǎn)不太經(jīng)濟(jì)。182022/10/29正激式電路工作原理2儲(chǔ)存在電感上的能量必須在功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷后下變壓器復(fù)位電路192022/10/29變壓器復(fù)位電路62022/10/22變壓器復(fù)位電路分析上圖中，若開(kāi)關(guān)晶體管Tr1截至，則變壓器Np繞組產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，二極管Dr導(dǎo)通，同時(shí)對(duì)Cr充電，Rr與Cr并聯(lián)，Cr上的電荷被Rr消耗。變壓器實(shí)現(xiàn)復(fù)位的條件是Rr所消耗的功率等于變壓器所儲(chǔ)存的能量，設(shè)Cr的電壓為Vr，則：

Vr=√（Rr×f/2Lp）×Vin×Ton設(shè)變壓器復(fù)位時(shí)間為tr，則復(fù)位條件為：Vin×Ton=Vr×tr，同時(shí)復(fù)位的動(dòng)作必須在Tr1的OFF期間內(nèi)結(jié)束，那么絕對(duì)條件就是：tr≦Toff可見(jiàn)Rr過(guò)大，復(fù)位電壓Vr將迅速上升，復(fù)位要在很短的時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)取Vr=Vin。202022/10/29變壓器復(fù)位電路分析上圖中，若開(kāi)關(guān)晶體管Tr1截至，則變壓器N采用變壓器繞組復(fù)位電路上述RDC復(fù)位電路，由于變壓器存儲(chǔ)的能量全部被電阻Rr所消耗，結(jié)果成了無(wú)用功。采用復(fù)位繞組N3，可以實(shí)現(xiàn)能量的回收。由于復(fù)位繞組N3的端電壓被嵌位為輸入電壓Vin，那么初級(jí)繞組Np產(chǎn)生復(fù)位電壓Vr為：Vr=Np×Vin/Nr

只要減少?gòu)?fù)位繞組的匝數(shù)，即可使Vr上升，從而在很短的時(shí)間tr內(nèi)完成變壓器復(fù)位。由于MOS管和二極管的耐壓條件有限，一般取Vr=Vin，因此Np=Nr。212022/10/29采用變壓器繞組復(fù)位電路上述RDC復(fù)位電路，由于變壓器存儲(chǔ)的能正激式變壓器的設(shè)計(jì)正激式變壓器上與反激式差不多，只是增加了一組磁芯復(fù)位繞組，這里的N3和圓邊繞組匝數(shù)相同即可。正激式變壓器輸出的特點(diǎn)是：輸出變壓器初級(jí)和次級(jí)的極性相同，開(kāi)關(guān)管ON期間，向輸出一側(cè)傳輸電能。次級(jí)整流電路采用扼流線圈輸入型平均值整流方式。222022/10/29正激式變壓器的設(shè)計(jì)正激式變壓器上與反激式差不多，只是增加了一變壓器的參數(shù)計(jì)算1計(jì)算工作周期：

T=1/f這里的，f：開(kāi)關(guān)的工作周期；最大導(dǎo)通時(shí)間：

Tonmax=T×Dmax這里的，對(duì)于正激式，Dmax：0.4~0.45較好，一般取0.42；變壓器的次級(jí)電壓計(jì)算：

Voutmin=（Vout+VL+VD）×T/TonVoutmin：次級(jí)最小輸出電壓，V；

Vout：輸出電壓，一般是給定值；

VL：輸出電感壓降，一般取0.2V；

VD：輸出整流二極管壓降，0.5~0.8V；232022/10/29變壓器的參數(shù)計(jì)算1計(jì)算工作周期：102022/10/22變壓器的參數(shù)計(jì)算2變壓器的匝比計(jì)算：一般要把交流換算成直流才計(jì)算：

Vinmin（dc)=Vacmin×1.4×0.9所以變壓器的匝比：

N=Voutmin/Vinmin變壓器的次級(jí)匝數(shù)計(jì)算：

Ns=（Voutmin×Tonmax）×104/（Bmax×Ae）Bmax：最大工作磁通密度，取Bsat/2=Bmax；Ae：磁芯有效截面積，mm2；變壓器的初級(jí)匝數(shù)計(jì)算：

Np=（Vinmin×Tonmax）×104

/（Bmax×Ae）242022/10/29變壓器的參數(shù)計(jì)算2變壓器的匝比計(jì)算：112022/10/22變壓器的參數(shù)計(jì)算3變壓器的電感量計(jì)算：

L=Np2×AL