反激式開(kāi)關(guān)電源原理與工程設(shè)計(jì)

1、反激式開(kāi)關(guān)電源原理與工程設(shè)計(jì)一 反激式開(kāi)關(guān)電源的原理分析二 反激式開(kāi)關(guān)電源實(shí)際電路的主要部件及其作用三 反激式開(kāi)關(guān)電源電路各主要器件的參數(shù)選擇四 反激式開(kāi)關(guān)電源pcb排板原則五 變壓器的設(shè)計(jì)六 反激式開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性問(wèn)題反激式開(kāi)關(guān)電源原理與工程設(shè)計(jì)一 反激式開(kāi)關(guān)電源的原理分析1. 反激式開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)?2. 為什么是反激式a. 變壓器的同名端相反b. 利用了二極管的單向?qū)щ娞匦?. 電感電流的變化為何不是突變電壓加在有電感的閉合回路上，流過(guò)電感上電流不是突變的，而是線性增加。愣次定律：a. 當(dāng)電感線圈流過(guò)變化的電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，其大小于與線圈中電流的變化率成正比；b. 感生電動(dòng)勢(shì)總是阻

2、礙原電流的變化4. 變壓器的主要作用與能量的傳遞理想變壓器與反激式變壓器的區(qū)別反激式變壓器的作用a. 電感（儲(chǔ)能）作用 遵守的是安匝比守恒（而不是電壓比守恒）儲(chǔ)存的能量為1/2LIp2b. 限流的作用 c. 變壓作用初次級(jí)雖然不是同時(shí)導(dǎo)通，它們之間也存在電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系， 也是初級(jí)按匝比變換到次級(jí)，次級(jí)按變比折射回初級(jí)。d. 變壓器的氣隙作用擴(kuò)展磁滯回線，能使變壓器更不易飽和磁飽和的原理圖電感值跟導(dǎo)磁率成正比,導(dǎo)磁率=B/HB是磁通密度H是磁場(chǎng)強(qiáng)度簡(jiǎn)單一點(diǎn),H跟外加電流成正比就是了，增加電流,磁流密度會(huì)跟著增加,當(dāng)加電流至某一程度時(shí),我們會(huì)發(fā)現(xiàn),磁通密度會(huì)增加得很慢,而且會(huì)趨近一漸近線.當(dāng)趨近這一

3、漸近線時(shí),這時(shí)的磁通密度,我們就稱為飽和磁通密度,電感值跟導(dǎo)磁率成正比,導(dǎo)磁率=B/H B是磁通密度,H是磁場(chǎng)強(qiáng)度(電流增加,H會(huì)增加.)H會(huì)增加,但B不會(huì)增加,導(dǎo)磁率變化量會(huì)趨近零啦!電感值跟導(dǎo)磁率變化量成正比,導(dǎo)磁率變化量趨近零,那電感值會(huì)是多少?零5. 開(kāi)關(guān)管漏極電壓的組成a. 高壓為基礎(chǔ)部分 b. 折射回來(lái)的電壓部分c. 漏感產(chǎn)生的尖峰部分波形6. 反激式拓?fù)溟_(kāi)關(guān)電源有兩種工作模式：(1) 完全能量轉(zhuǎn)換，也叫做非連續(xù)導(dǎo)通模式。該模式的特點(diǎn)是，變壓器在儲(chǔ)能周期中儲(chǔ)存的所有能量在反激周期都轉(zhuǎn)移到輸出端。(2) 不完全能量轉(zhuǎn)換，也叫做連續(xù)導(dǎo)通模式。存儲(chǔ)在變壓器中的一部份能量保留到下一個(gè)儲(chǔ)存周

4、期開(kāi)始。工作模式是由初級(jí)電流和負(fù)載電流決定的2、結(jié)合圖1以非連續(xù)導(dǎo)通模式為例分析反激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理。該模式反激式拓?fù)溟_(kāi)關(guān)電源的一個(gè)工作周期中有勵(lì)磁、去磁、非連續(xù)導(dǎo)通三個(gè)階段。(1) 勵(lì)磁階段：當(dāng)開(kāi)關(guān)VT1導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感中的電流從零開(kāi)始上升。由于次級(jí)邊的二極管具有單向?qū)ㄐ裕藭r(shí)二極管反偏，在次級(jí)不導(dǎo)通電流，輸出濾波電容C向負(fù)載供電。由于此階段的作用是向初級(jí)勵(lì)磁電感補(bǔ)充能量，以為在下一個(gè)階段向次級(jí)繞組轉(zhuǎn)移能量做準(zhǔn)備，因此這個(gè)階段被稱為勵(lì)磁階段。(2) 去磁階段：當(dāng)勵(lì)磁階段結(jié)束后，VT1停止導(dǎo)通。由于電感電流不能突變，勵(lì)磁電感電流開(kāi)始在初級(jí)電感上續(xù)流，能量通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)移到輸出端，

5、在次級(jí)邊上，二極管正向?qū)?，輸出端得到能量。此時(shí)，勵(lì)磁電感上的電壓反向，勵(lì)磁電流開(kāi)始下降，因此該階段被稱為去磁階段。(3) 非連續(xù)導(dǎo)通階段：當(dāng)勵(lì)磁電感的電流下降到零時(shí)，變壓器初級(jí)邊的能量己經(jīng)完全轉(zhuǎn)移到次級(jí)邊，次級(jí)邊上二極管不再導(dǎo)通。此時(shí)反激式拓?fù)渲械某跫?jí)和次級(jí)繞組都不導(dǎo)通電流，等待著下一個(gè)周期的到來(lái)。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，不存在這個(gè)階段。7電流控制模式電流控制模式特點(diǎn)：有兩個(gè)反饋環(huán)1. 一個(gè)由電流檢測(cè)電阻 輸入電壓和脈寬調(diào)制器組成響應(yīng)速度快的內(nèi)環(huán)組成2. 一個(gè)由分壓電阻、誤差放大器組成的響應(yīng)速度慢的外環(huán)二 反激式開(kāi)關(guān)電源實(shí)際電路的主要部件及其作用1. 實(shí)際電路（1）2. 我司電路a. FD9022

6、b.FD9020三 反激式開(kāi)關(guān)電源各主要器件的參數(shù)選擇1. 輸入電路設(shè)計(jì)保險(xiǎn)絲 最好用延遲型的保險(xiǎn)絲，平均電流的5倍熱敏電阻 10歐/耐壓?jiǎn)栴}，10mm，14mm，20mm共模濾波器 5倍的平均電流，2540MH安規(guī)電容交流250V-275V 的X2電容;Y2安規(guī)電容交流250V-275V壓敏電阻 10mm, 14mm 470V-680V耐壓的2. 交流整流管的參數(shù)選擇 整流管選用600V800V的管子；額定電流為最大電流3-5倍 ， 習(xí)慣選5倍3. 輸入濾波電容選擇1W/1.5-2U ,耐壓為最高電壓+（3050V）例如265 V 1.4=370V 選用400V耐壓的電解電容 285V 1.

7、4=399V 選用450V耐壓的電解電容4. 開(kāi)關(guān)管的選擇a. 耐壓余量耐壓取理論值加80V，原則上不宜太大，也不宜太小，余量太大，導(dǎo)通電阻大，導(dǎo)通損耗大，b. 電流余量電流值應(yīng)取最大電流的3-4倍，注意是100時(shí) 5. 箝位電路參數(shù)的選擇a. 箝位電容的選擇b. 箝位電路電阻的選擇c. 箝位電路的阻斷二極管的選擇 6. 輸出整流二極管的選擇a. 電壓余量 耐壓的理論計(jì)算值=最大交流電壓1.414N1/N2+Vo+尖峰+30Vb. 電流余量流過(guò)整流管的電流為輸出電流平均值的4倍，因此選擇整流管的額定電流應(yīng)為輸出平均電流的35倍c. 輸出濾波電容的選擇ESR小的高頻電解 1A/1000U 反激式

8、電路耐壓 30,10V,16V,25V,35V 60V,100Vd. 輸出濾波電感 3UH四 反激式開(kāi)關(guān)電源pcb排板原則一般原則：（反射噪聲，串?dāng)_，開(kāi)關(guān)噪聲，地彈，軌道塌陷，以及輻射）a. Pcb走線長(zhǎng)度減少一半，則其電感也減少一半，但走線寬度要增加10倍才減少一半b. 電流路徑 小電流信號(hào)盡可能與大電流信號(hào)的地回路分開(kāi)；高壓信號(hào)盡可能與低壓信號(hào)遠(yuǎn)些；多路輸出的地回路有條件盡可能分開(kāi)c. 減小電感的方法實(shí)際情況a. 初級(jí)回路b. 次級(jí)回路c. 初次級(jí)回路的安全距離d. 典型排板案例(第一版本)（第二版本：初級(jí)地分開(kāi)匯總到高壓電容，次級(jí)地一路匯總到變壓器)(第三版本：次級(jí)地12V 5V分開(kāi)匯總

9、到變壓器)五 變壓器的設(shè)計(jì)1. 實(shí)用的工程設(shè)計(jì)計(jì)算FD9020 5V/2A 12V/0.5A變壓器：輸入電壓：90V265Vac輸出功率：16W 效率=80% 占空比D=0.45 頻率F=65K 由于工作在寬電壓范圍，設(shè)計(jì)按連續(xù)模式計(jì)算1、峰值電流計(jì)算 （最大峰值電流設(shè)在交流電壓最低的情況計(jì)算）Po=Pin*=Udc*Idc*D* Idc=（Ip1+Ip2）/ 2Ip1+Ip2=2*Po/(Udc*d*)=2*16/(90*1.414-20)*0.45*0.8)=2*16/(107*0.45*0.8)=0.8307AIp2=4Ip1 Ip1=0.166A; Ip2=0.664AIp=Ip2-I

10、p1=0.498A 2、初級(jí)電感量計(jì)算L*Ip=Udc*Ton Ton=D*T=D/FL=(Udc*D)/(Ip*F)=107*0.45/(0.498*65)=1.487mH3、 匝比及各繞組匝數(shù)計(jì)算取反射電壓Ur=80V D/(1D)V(100V)N=Ur/(Uout+0.5)=80/5.5=14.5查表知EE22 Ae為36.7mm2 取B為0.25Np=(Udc*D)/(B*Ae*F)=(107*0.45*1000)/(0.25*36.7*65)=80.74匝Ns=Np/N=80.74/14.5=5.568 取整數(shù)6匝反推原邊Np=Ns*N=6*14.5=87 取87匝次級(jí)12V路：N1

11、2V=Ns/Uout*U12v=6/5 *12=14.4 取14匝輔助繞組：Na=Ns/Uout*Ua=6/5 *17=20.4 取20匝各繞組匝數(shù)匝比：原：輔：5V：12V = 87：20：6：144、 各繞組線徑計(jì)算初級(jí)電流Irms=Ip*D3= 0.8307*0.453=0.1857A取5A/mm 初級(jí)：R2=0.18575D=2*R=0.2175mm，取D=0.23mm5V輸出：3*R2=25D=2*R=0.412mm，取D=0.45mm12V輸出：R2=0.55D=2*R=0.3568mm，取D=0.35mm輔助路輸出：電流較小，為配線方便取D=0.23mm綜上： 初級(jí) Np = 8

12、7匝 線徑 0.23mm*15V路Ns = 6匝 線徑 0.45mm*312V路 N12V = 14匝 線徑 0.35mm*1 輔助Na=20匝 線徑0.23mm*1 Lp=1.487mH 5、 CS電阻計(jì)算 R = 0.8V/Ip2 = 0.8/0.664 = 1.2R 保留一點(diǎn)裕量取1R電阻2. 傳統(tǒng)的Ap3. 變壓器的工藝問(wèn)題 （三明治，分層，繞向，磁路，磁材形狀）減少漏感的工藝安全工藝 改善輻射工藝降低成本工藝六 反激式開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性問(wèn)題七 關(guān)鍵器件的特性 功率VDMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有雙極型功率晶體管不具備的許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：1、 開(kāi)關(guān)速度非?？旃β蔞DMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管是多數(shù)載流子器

13、件，具有非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度，不存在雙極型功率晶體管的少數(shù)載流子存貯效應(yīng)，沒(méi)有存貯時(shí)間。開(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá)幾ns至數(shù)十ns。一般低壓器件開(kāi)關(guān)時(shí)間為10ns數(shù)量級(jí)，高壓器件位100ns數(shù)量級(jí)。特別適合于制作高頻開(kāi)關(guān)，可以大大減小電抗元件的損耗、尺寸和重量。功率VDMOS器件的開(kāi)關(guān)速度主要決定于器件的內(nèi)部電容的充、放電，并與工作溫度無(wú)關(guān)。2、 高輸入阻低和低驅(qū)動(dòng)電流功率VDMOS器件的柵極以二氧化硅作為電介質(zhì)絕緣層，其直流電阻在40M以上，因而它的輸入阻抗極高，是一種理想的電壓控制器件，其驅(qū)動(dòng)線路簡(jiǎn)單，可以直接被C-MOS、TTL、IC驅(qū)動(dòng)。直流驅(qū)動(dòng)電流很小，在100nA數(shù)量級(jí)，大大降低了系統(tǒng)的功率損耗。3、 安全工作區(qū)大功率VDMOS器件與雙極型功率晶體管的明顯區(qū)別之一是沒(méi)有二次擊穿。安全工作區(qū)由器件的峰值電流、擊穿電壓的額定值和功率容量來(lái)決定，無(wú)需增加保護(hù)線路和裝置就可以保證器件安全可靠地工作。4、 漏極電流為負(fù)的溫度系數(shù)有良好的熱穩(wěn)定性功率VDMOS器件的最小導(dǎo)通電壓由導(dǎo)通電阻決定。對(duì)于低壓器件，是很小的，但是隨著器件的電壓增加，導(dǎo)通電阻也增加。有正溫度系數(shù)特性，也就是說(shuō)漏極電流有負(fù)溫度系數(shù)