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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
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