开关电源设计详解

择要本文援用地点：1 评价计划请求（指标）2 主电路计划抉择3 元器件计划方式4 种种形式Flyback 电路计划5 消耗剖析及机构规划计划6 PCB布板跟EMI评价计划指标1、输入参数：输入电压巨细，交换仍是直流，相数，频率等。国际电压品级有单相120Vac，220Vac，230Vac等。国际通用的交换电压范畴为85～265V。个别包含输入电压额外值及其变更范畴；3kW以下功率常选用单相输入，5kW以上选用三相输入；产业用电频率个别为50Hz或许60Hz,航空航天电源、船舶用电为400Hz.有无功率因数（Power Factor)跟谐波（Total Harmonics Distortion)指标2、输出参数：输出功率，输出电压，输出电流，纹波，稳压(稳流)精度，调剂率，静态特征(稳固时光：settling time)、电源的启动时光跟坚持时光。输出电压：额外值＋调理范畴。输出电压的下限应只管凑近额外值，以防止不用要的过年夜的计划余量。输出电流：额外值＋过载倍数。有稳流请求的还会指定调理范畴。有些电源不容许空载，因而还应指定电流上限。稳压稳流精度：影响要素包含输入电压调剂率，负载调剂率，时效偏向。基准源精度、检测元件精度、把持电路中运放的精度对稳压稳流精度影响很年夜。3、效力：额外输入电压与额外输出电压、额外输出电流时输出功率与输入有功功率的比值。消耗：与开关频率亲密相干的消耗：开关器件的开关消耗，磁性元件的铁损，接收电路的消耗。电路中的通态消耗：开关器件的通态消耗，磁性元件的铜损，线路消耗。这局部消耗取决于电流。别的消耗：把持电路消耗，驱动电路的消耗等个别输出电压较高的电源的效力高于输出电压较低的电源。高输出电压的电源效力可达90％～95％的效力。年夜功率电路的效力能够比小功率电路的效力做得更高。4、电压调剂率跟负载调剂率电压（源）调剂率：电源调剂率平日以额外负载前提下，由输入电压变更所形成其输出电压偏向率。如下列公式所示：Vo(max)-Vo(min) / Vo(normal)，或许划定其输出电压之偏向量须於划定之高低限范畴内，即输出电压之高低限相对值以内。负载调剂率：负载调剂率的界说为开关电源於输出负载电流变更时，供给其稳固输出电压的才能。或许输出负载电流变更下，其输出电压偏向量不得超越高低限相对值。测试方式：待测电源在畸形输入电压及负载状态下热机稳固後，丈量畸形负载下的输出电压值，再分辨丈量轻载(Min)、重载(Max)负载下其输出电压值(分辨为Vmax与Vmin)，负载调剂率平日以畸形牢固输入电压下，由负载电流变更所形成其输出电压偏向率的百分比，如下列公式所示：V0(max)-V0(min) / V0(normal)5、静态特征：负载渐变时输出电压的变更开关电源经由过程反应把持回路保障其输出电压稳固，现实上反应把持回路有必定的频宽，因而限度了电源供给器对负载电流变更时的反映，可能惹起开关电源不稳固、掉控或振荡之景象。现实上，电源供给器任务时的负载电流也是静态变更的，因而静态负载测试对电源供给器而言是极为主要的。可编顺序电子负载可用来模仿电源供给器现实任务时最恶劣的负载情形，如负载电流敏捷回升、降落之斜率、周期等，若电源供给器在恶劣负载状态下，仍可能保持稳固的输出电压不发生过冲(Overshoot)或过低(Undershoot)情况，不然会招致电源输出电压超越负载元件(如TTL电路其输出刹时电压应介於4.75V至5.25V之间，才不致惹起TTL逻辑电路之误举措)任务范畴。6、电源启动时光(Set-Up Time)与坚持时光(Hold-Up Time)启动时光：指电源从输入接上电源起到其输出电压回升到稳压范畴内为止的时光，以一输出为5V的电源供给器为例，启动时光为从电源开机起到输出电压到达4.75V为止的时光。坚持时光：电源从堵截输入电源起到其输出电压降落到稳压范畴外为止的时光，以一输出为5V的电源供给器为例，坚持时光为从关机起到输出电压低於4.75V为止的时光，个别值为10－20ms，以防止电力公司供电中因为短时电压中止（半个或一个电网电压周期）时负载任务遭到影响。7、多路输出电源的穿插调剂率：多输出还须要斟酌穿插调剂率（Cross Regulation）。什么是穿插调剂率？一起输出负载变更时，另一起输出电压的变更范畴。进步穿插调剂率的惯例措施：后级调剂如：小功率多路输出Flyback输入电压范畴..............90～264VAC， 120-370VDC输入电流..................2.0A/115V 1.1A/230V，输入频率：47～63HZ打击电流..................冷启动电流20A/115V 40A/230V泄电流.................... 2mA/240VAC输出电压调理范畴..........CH1 ：-5～+10%电压调剂率................CH1： 1% ， CH2： 1%负载调剂率................CH1： 3% ，CH2/3： 4-8%过载维护..................105%～150% 维护范例：电流限度，主动规复过压维护..................115-135%CH1额外输出电压温度系数..................±0.03%℃(0～50℃)启动、回升、坚持时光......800ms,60ms,20ms抗震性....................10～500Hz,2G 三轴10min./1周期,每轴1小时耐压性....................输入-输出：3KVAC，输入-外壳：1.5KVAC，输出-外壳：0.5KVAC 1分钟绝缘电阻...............输入-输出、输入-地、输出-地500VDC/100M Ohms任务温度、湿度............-10℃～+60℃，20%～90%RH(0-45℃/100%,-10℃/80%,60℃/60% LOAD）存储温度、湿度............-20℃～+85℃,10%～95RH形状尺寸..................199*99*50mm CASE 916A分量......................0.6kg；20pcs/13kg/1.17CUFT保险尺度..................满意UL1310,TUV EN60950请求EMC/谐波尺度............... 满意EN55022 class B/A,EN61000-3-2,3EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11,ENV50204二、抉择适合主电路拓扑(AC-DC)基础准则：功率品级，本钱，效力，尺寸巨细功率在75瓦以下时，个别错误输入侧谐波停止限度。因而选用电路简略、本钱昂贵的反激式电路。日本限度50W以下。照明请求更高，25W。电路功率在75瓦以上个别电源请求满意谐波IEC61000-3-2。个别请求有功率因数校订，因而年夜多采取两级的计划。Boost PFC+Flyback; 100W、Boost PFC+half bridge 100W 500W当更年夜功率（500瓦以上），可采取半桥或许全桥。本钱请求严，就抉择半桥，功率年夜则抉择全桥。推挽型电路平日用于功率较年夜，输入电压很低的场所。个别功率小于20W时，因为电源的消耗以磁元件，开关，跟驱动消耗为主，通态消耗比重小（电流小），因而抉择电路拓扑简略的计划。如DCM Flyback。当电源的消耗以通态消耗为主时（年夜功率，或许高压年夜电流），须要斟酌可能下降通态消耗的计划。比方：同步整流，多级转换，并联，混杂拓扑等。三、元器件计划例：Flyback主电路中哪些元器件须要咱们计划?① 盘算电路任务参数。输入、输出电压② 运转参数。开关频率、最年夜占空比③ 变压器。④ 开关管－电压，电流⑤ 副边二极管－电压、电流⑥ 输出滤波电容⑦ 接收电路计划步调（一）、断定输入直流母线的电压变更范畴：1）随输入变更范畴2）每个工频周期内电压变更（二）、计划开关频率fs，最年夜占空比Dmax＝0.45• 依照请求设定开关频率• 依据输入功率，并假设最低电压最年夜占空比，恰好临界持续，而后断定电感峰值电流Pinmax＝Pomax/efficiencyIavgmax=Pinmax/VDCminIpeak=2*Iavgmax/D（三）、计划反激变压器– 依据最年夜峰值电流，断定原边电感量Pinmax＝0.5*Lm*Ipeak2*fs– 依据教训，选定磁芯尺寸，盘算原边匝数。Np＝（Lm*Ipeak)/(Ae*Bmax)Ae是磁芯截面积；Bmax是计划的最年夜磁通密度。– 依据电感量跟匝数，计划气隙。– 依据原边开关管的额外电压抉择适合的匝比。为了取得较好的副边穿插调剂率，偶然候须要调剂变压器原边的匝数。例：副边Vo1：Vo2＝5：3开端盘算失掉：Ns1＝3，Ns2＝1.8；假如Ns2取2匝，则调剂率可能比拟差。于是，修正副边匝数，Ns1=5，Ns2＝3。(四）、开关管抉择：功率MOSFET开关管电压应力：例：原边抉择650V的MOSFET，则原边的开关管的电压应力不该超越600V。于是盘算最年夜应力：Vpmax=VDCmax＋（Vo＋Vdrop）*Np/Ns+60V开关管电流应力：盘算变压器原边的最年夜电流个别情形下：Vo*Np/Ns 140V；斟酌，原边开关管的应力，副边二极管的电压应力，最年夜占空比三者调和。（五）、副边二极管的抉择：– 快规复二极管– 盘算二极管的耐压VD＝(Vdcmax*Ns/Np+Vo)*1.3（六）、输出滤波电容的抉择：依据电流/电压应力，纹波请求，抉择电解电容。（七）、RCD 接收电路斟酌成绩点：1）接收后果2）消耗尽可能小接收后果与消耗之间调和！不只对FLYback，全部存在R的接收电路都同样的计划准则。消耗预算方式：1）Psnuber=Vc2/RMOSFET关断时,当Vds超越RCD缓冲电路中的电容两头的电压VSN时,缓冲二极管导通.尖峰电流被RCD电路接收,从而增添了尖峰电流. 缓冲电容必定要充足年夜,才干保障在一个开关周期内电容两头的电压不明显变更.然而接收电容太年夜，也会增添缓冲电路的消耗。必需折中。接收电路耗费的电能可由下式盘算得。则取电阻为3W的功率电阻，其阻值跟电容值可由软件盘算得，如下图四、其余形式flyback计划CCM/DCM Flyback计划在功率较年夜时，如65W。为了下降高压输入时的导通消耗，使高压输入时进入CCM形式。高压输入时，DCM形式。计划步调与DCM形式雷同，计划公式差别。– 盘算原边电感值公式差别– 盘算匝比公式差别– 盘算开关管电压、电流应力差别– 盘算二极管电压、电流应力差别– 盘算输出纹波差别Boundary CM Flyback在母线电压的变化范畴内，都是临界形式。（变频）与DCM计划步调跟方式形式一样。BCM/DCM长处：1）原边开关管的开明消耗小。2）副边二极管的反向规复电流小。3）反向规复惹起的共模噪声小4) 二极管的电压应力小，宜选用高压器件。BCM形式的毛病：1）原边开关管的导通消耗年夜。2）频率变更，差模滤波器须要依照最低频率计划。共模滤波器要依照较高频率计划。两个前提使下面的毛病不再主要：1）MOSFET器件的改良，Rdson越来越小。使原边的导通消耗占的总消耗的比重减小。2）BCM使副边的二极管的反向规复惹起的共模减小。五、热计划开关管个别要加散热器，散热器跟开关管之间要加绝缘垫片跟涂上散热硅胶。在年夜功率的开关电源计划中，个别还要装置电扇采取逼迫风冷。六、布线计划及EMI各元器件的引脚特殊是电容的引脚要只管短，不然电容对高频的接收后果差；年夜电流流过的互连线要粗要短；只管不要构成年夜的环路，不然烦扰太年夜，影响调试。把持电路的布线与功率电路的布线要离开。把持芯片跟变压器都要装置座子，以便利装配。布线时充足斟酌散热以及便利测试，整齐，各功效模块明白。