《電子技術(shù)應(yīng)用》
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單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)及電子數(shù)據(jù)表格
沙占友,龐志峰,張?zhí)K英
摘要: 單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)及電子數(shù)據(jù)表格.開關(guān)電源效率(η)是指其輸出功率(PO)與輸入功率(PI)(即總功率)的百分比,。需要指出,,單片開關(guān)電源的效率隨輸出電壓(UO)的升高而增加,。
Abstract:
Key words :

1單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1電源效率的選定

開關(guān)電源效率(η)是指其輸出功率(PO)與輸入功率(PI)(即總功率)的百分比。需要指出,,單片開關(guān)電源的效率隨輸出電壓(UO)的升高而增加,。因此,,在低壓輸出時(shí)(UO=5V或3.3V),η可取75%,;高壓輸出時(shí)(UO≥12V),η可取85%,。在中等電壓輸出時(shí)(5V因電源效率η=PO/PI,故開關(guān)電源的總功耗PD=PI-PO=-PO=·PO(1)

PD中包括次級(jí)電路功耗和初級(jí)電路功耗,。重要的是應(yīng)知道初,、次級(jí)功耗是如何分配的。損耗分配系數(shù)(Z)即反映出這種關(guān)系,。

設(shè)初級(jí)功耗為PP,,次級(jí)功耗為PS,則PP+PS=PD,,Z=PS/PD,,而1-Z=PP/PD。需要注意的是,,次級(jí)功耗與高頻變壓器傳輸功率的大小有關(guān),,而初級(jí)鉗位二極管的功耗應(yīng)歸入次級(jí)功耗之中。這是因?yàn)檩斎牍β试诼O電壓被鉗位之前,,已被高頻變壓器傳輸?shù)酱渭?jí)的緣故,。

1.2如何計(jì)算輸入濾波電容的準(zhǔn)確值

輸入濾波電容的容量是開關(guān)電源的一個(gè)重要參數(shù)。CIN值選的過小,,會(huì)使UImin值大大降低,,而輸入脈動(dòng)電壓UR卻升高。但CIN值取得過大,,會(huì)增加電容器成本,,而且對(duì)于提高UImin值和降低脈動(dòng)電壓的效果并不明顯。下面介紹計(jì)算CIN準(zhǔn)確值的方法,。

交流電壓u經(jīng)過橋式整流和CIN濾波,,在u=umin情況下的輸入電壓波形如圖1所示。該圖是在PO=POM,,fL=50Hz(或60Hz),、整流橋的響應(yīng)時(shí)間tc=3ms、η=80%的情況下繪出的,。由圖可見,,在直流高壓UImin上還要疊加上一個(gè)幅度為UR的初級(jí)脈動(dòng)電壓,這是CIN在充放電過程中形成的,。

欲獲得CIN的準(zhǔn)確值,,可按下式進(jìn)行計(jì)算:CIN=(2)

圖1交流電壓為最小值時(shí)的輸入電壓波形

圖2正向恢復(fù)時(shí)間的電壓波形

圖3TOPSwitchⅡ等系列在230V交流輸入時(shí)各電壓參數(shù)的電位分布

舉例說明,在寬范圍電壓輸入時(shí),,umin=85V,。取UImin=90V,,fL=50Hz,tc=3ms,,假定PO=30W,,η=80%,一并帶入式(2)中求出CIN=84.2μF,,比例系數(shù)CIN/PO=84.2μF/30W=2.8μF/W,,這恰好在(2~3)μF/W允許的范圍之內(nèi)。

1.3初級(jí)各電壓參數(shù)的電位分布情況

下面詳細(xì)介紹輸入直流電壓的最大值UImin,、初級(jí)感應(yīng)電壓UOR,、鉗位電壓UB與UBM、最大漏極電壓

UDmax,、漏源擊穿電壓U(BR)DS這6個(gè)電壓參數(shù)的電位分

布情況,,使讀者能有一個(gè)定量的概念。

對(duì)于TOPSwitchⅡ系列單片開關(guān)電源,,其功率開

關(guān)管的漏源擊穿電壓U(BR)DS≥700V,,現(xiàn)取下限值700V,

其感應(yīng)電壓UOR=135V,。本來初級(jí)鉗位二極管的鉗位電壓UB只需取135V,,即可將疊加在UOR上由漏感而造成的尖峰電壓吸收掉,實(shí)際卻不然,。手冊中給出UB參數(shù)值僅表示工作在常溫,、小電流情況下的數(shù)值。實(shí)際上鉗位二極管(即瞬態(tài)電壓抑制器TVS)還具有正向溫度系數(shù),,它在高溫,、大電流條件下的鉗位電壓UBM要遠(yuǎn)高于UB。實(shí)驗(yàn)表明,,二者存在下述關(guān)系:

UBM≈1.4UB(3)

這表明UBM大約比UB高40%,。此外,為防止鉗位二極管對(duì)初級(jí)感應(yīng)電壓UOR也起到鉗位作用,,所選用的TVS鉗位電壓應(yīng)按下式計(jì)算:

UB=1.5UOR(4)

此外,,還須考慮與鉗位二極管相串聯(lián)的阻塞二極管VD1的影響。VD1一般采用超快恢復(fù)二極管(SRD),,其特征是反向恢復(fù)時(shí)間(trr)很短,。但是VD1在從反向截止到正向?qū)ㄟ^程中還存在著正向恢復(fù)時(shí)間(tfr),還需留出20V的電壓余量,。正向恢復(fù)時(shí)間定義為:給二極管施加一個(gè)正向瞬態(tài)電壓,,使之從電流為零的反向電壓偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)入正向電壓偏置狀態(tài),直到管子的正向電壓恢復(fù)到規(guī)定值所需要的時(shí)間間隔。設(shè)二極管正向壓降的典型值為UF,,這里講的規(guī)定值即為1.1UF。正向恢復(fù)時(shí)間的電壓波形如圖2所示,。由圖可見,,當(dāng)給二極管加上正向瞬態(tài)電壓時(shí),管子由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)的過程如下:管子的正向電壓首先要從零上升到0.1UF,,然后達(dá)到峰值電壓UFM,,再下降到1.1UF。規(guī)定從0.1UF恢復(fù)到1.1UF所需時(shí)間,,即為正向恢復(fù)時(shí)間,。需要注意,正向恢復(fù)時(shí)間(tfr)和反向恢復(fù)時(shí)間(trr)屬于兩個(gè)性質(zhì)不同的特征參數(shù),。

考慮上述因素之后,,TOPSwitchⅡ的最大漏源極

電壓的經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)為:

UDmax=UImax+1.4×1.5UOR+20V(5)TOPSwitchⅡ各系列在230V交流固定輸入時(shí),初級(jí)電壓參數(shù)對(duì)應(yīng)于波形的分布情況如圖3所示,。此時(shí)u=230V±35V,,即umax=265V,UImax=umax≈375V,,UOR=135V,,UB=1.5UOR≈200V,UBM=1.4UB=280V,,UDmax=675V,,最后再留出25V的電壓余量,因此U(BR)DS=700V,。實(shí)際上U(BR)DS也具有正向溫度系數(shù),,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)U(BR)DS也會(huì)升高,上述設(shè)計(jì)就為芯片耐壓值提供了額外的余量,。

1.4根據(jù)IP值選擇芯片的方法

單片開關(guān)電源的極限電流最小值ILIMIT(min),,均是針對(duì)室溫情況下定義的。若芯片工作在比較高的溫度下,,其額定值應(yīng)減小10%,,因此通常取初級(jí)峰值電流IP=0.9ILIMIT(min)。這表明在選擇芯片時(shí),,可先將IP除以0.9,,轉(zhuǎn)換成ILIMIT(min)值,從有關(guān)參數(shù)表中查出符合上述要求且與該數(shù)值最為接近的TOPSwitch芯片,。

在PO確定之后,,采用連續(xù)模式能降低IP,允許使用功率較小的芯片。若要減小磁芯及高頻變壓器的尺寸,,應(yīng)適當(dāng)增加初級(jí)脈動(dòng)電流IR與峰值電流IP的比值KRP,。KRP的取值范圍是0~1.0。KRP愈大,,磁芯尺寸愈小,,其代價(jià)是需采用輸出功率較大的芯片。另外,,增大KRP值還意味著開關(guān)電源要向不連續(xù)模式過渡,,此時(shí)初級(jí)電感量LP↓,IP↑,,IRMS↑,,導(dǎo)致η↓。因此,,在選擇KRP值時(shí)應(yīng)權(quán)衡利弊,,要在減小磁芯尺寸與保證盡量高的效率這二者之間,確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,。

2電子數(shù)據(jù)表格的結(jié)構(gòu)

在用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源時(shí),,需借助于電子數(shù)據(jù)表格才能完成。這種表格的內(nèi)容以高頻變壓器設(shè)計(jì)為主,,其它外圍電路及關(guān)鍵元器件參數(shù)計(jì)算為輔,。單路輸出式開關(guān)電源的電子數(shù)據(jù)表格共分6列。A列代表輸入和輸出的參數(shù),。B列中是由用戶輸入的數(shù)據(jù),。C列為計(jì)算過程中保留的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可作為中間變量,,在前,、后設(shè)計(jì)步驟中交叉使用。D列為計(jì)算結(jié)果,。E列給出的是單位(SI制),。F列是對(duì)參數(shù)的說明。

舉例說明:由TOP222Y構(gòu)成的7.5V,、15W單片開關(guān)電源模塊,,其交流輸入電壓范圍是85V~265V,電壓調(diào)整率SV=±0.5%(85V~265V),,負(fù)載調(diào)整率SI=±1%(負(fù)載電流從滿載的10%變化到100%),,輸出紋波電壓最大值為±50mV。表1給出該模塊所對(duì)應(yīng)的電子數(shù)據(jù)表格,,可供讀者在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)參考,。需要指出,在設(shè)計(jì)和使用電子表格時(shí),還可根據(jù)實(shí)際電路的要求,,適當(dāng)增加一些參數(shù),。例如在第16行下面插入TOPSwitch的極限電流最大值ILIMIT(max)參數(shù),并注明由此選定的芯片型號(hào),,作為新的17行,,原17行就改為18行,依次順延,。表中預(yù)留出的空行也是專為插入新參數(shù)而設(shè)置的,。

表1設(shè)計(jì)7.5V,、15W開關(guān)電源用的電子數(shù)據(jù)表格

  A B C D E F
1 輸入 中間過程 輸出 單位 參數(shù)說明
2 參數(shù) 數(shù)據(jù) 保留數(shù)據(jù) 計(jì)算結(jié)果   7.5V,、15W開關(guān)電源
3 umin 85     V 交流輸入電壓最小值
4 umax 265     V 交流輸入電壓最大值
5 fL 50     Hz 電網(wǎng)頻率
6 f 100     kHz 開關(guān)頻率
7 UO 7.5     V 直流輸出電壓
8 PO 15     W 輸出功率
9 η 80     電源效率
10 Z 0.5       損耗分配系數(shù)
11 UFB 10.4     V 反饋電壓
12 tc 3.2     ms 整流橋響應(yīng)時(shí)間
13 CIN 33     μF 輸入濾波電容
14            
15 輸入TOPSwitch的變量  
16 UOR 85     V 初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓
17 UDS(ON) 10     V TOPSwitch的漏-源導(dǎo)通電壓

續(xù)表

18 UF1 0.4     V 次級(jí)肖特基整流管正向壓降
19 UF2 0.7     V 反饋電路中高速開關(guān)整流管正向壓降
20 KRP 0.92     初級(jí)脈動(dòng)電流IR與峰值電流IP的比例系數(shù)
21            
22 輸入高頻變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)  
23   EE22       鐵氧體磁芯型號(hào)
24 SJ 0.41     cm2 磁芯有效橫截面積
25 l 3.96     cm 有效磁路長度
26 AL 2.4     μH/匝 磁芯不留間隙時(shí)的等效電感
27 b 8.43     mm 骨架寬度
28 M 0     mm 安全邊距(安全邊界寬度)
29 d 2     初級(jí)繞組層數(shù)
30 NS 5     次級(jí)匝數(shù)
31    
32 直流輸入電壓參數(shù)  
33 UImin     93 V 直流輸入電壓最小值
34 UImax     375 V 直流輸入電壓最大值
35            
36 初級(jí)電流波形參數(shù)  
37 Dmax     51 最大占空比(對(duì)應(yīng)于umin時(shí))
38 IVAG     0.20 A 輸入電流的平均值
39 IP     0.74 A 初級(jí)峰值電流
40 IR     0.68 A 初級(jí)脈動(dòng)電流
41 IRMS     0.32 A 初級(jí)有效值電流
42    
43 變壓器初級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)  
44 LP     623 μH 初級(jí)電感量
45 NP     54 初級(jí)繞組匝數(shù)
46 NF     7 反饋繞組線數(shù)
47 ALG   0.215   μH/匝 磁芯留間隙后的等效電感
48 BM     0.2085 T 最大磁通密度(BM=0.2~0.3T)
49 BAC   0.0959   T 磁芯損耗交流磁通密度(峰峰值×0.5)
50 μ   1845     磁芯無氣隙時(shí)的相對(duì)磁導(dǎo)率
51 δ     0.22 mm 磁芯的氣隙寬度(δ≥0.051mm)
52 α   16.85   mm 有效骨架寬度
53 DPM     0.31 mm 初級(jí)導(dǎo)線的最大外徑(帶絕緣層)
54 e   0.05   mm 估計(jì)的絕緣層總厚度(厚度×2)
55 DPm     0.26 mm 初級(jí)導(dǎo)線的裸線直徑
56 公制線徑     0.280 mm 初級(jí)導(dǎo)線規(guī)格
57 SP   0.0516   mm2 初級(jí)導(dǎo)線的橫截面積
58 J     0.67 A/mm2 電流密度J=(4~10A)/mm2
59            
60 變壓器次級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)  
61 ISP     7.95 A 次級(jí)峰值電流
62 ISRMS     3.36 A 次級(jí)有效值電流
63 IO     2.00 A 直流輸出電流
64 IRI     2.70 A 輸出濾波電容上的紋波電流
65            
66 SSmin   0.546   mm2 次級(jí)線圈最小橫截面積
67 公制線徑     0.900 mm 次級(jí)導(dǎo)線規(guī)格
68 DSm     0.91 mm 次級(jí)導(dǎo)線最小直徑(裸線)
69 DSM     1.69 mm 次級(jí)導(dǎo)線最大直徑(帶絕緣層)
70 NSS   0.39   mm 次級(jí)絕緣最大厚度
71            
72 電壓極限參數(shù)  
73 UDmax     573 V 最高漏極電壓估算值(包括漏感的作用)
74 U(BR)S     42 V 次級(jí)整流管最高反向峰值電壓
75 U(BR)FB     59 V 反饋電路整流管的最高反向峰值電壓
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