反激式開關(guān)電源設(shè)計詳解(上)

1、電子科技大學(xué)楊忠孝（下）開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)分類開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)分類 10W以內(nèi)常用以內(nèi)常用RCC(自激振蕩自激振蕩)拓撲方式拓撲方式 10W-100W以內(nèi)常用反激式拓撲（以內(nèi)常用反激式拓撲（75W以以上電源有上電源有PF值要求）值要求） 100W-300W 正激、雙管反激、準諧振正激、雙管反激、準諧振 300W-500W 準諧振、雙管正激、半橋等準諧振、雙管正激、半橋等 500W-2000W 雙管正激、半橋、全橋雙管正激、半橋、全橋 2000W以上以上 全橋全橋反激開關(guān)電源特點反激開關(guān)電源特點 在開關(guān)電源市場中在開關(guān)電源市場中,400W以下的電源大約占了市以下的電源大約占了市場的場的70-8

2、0%,而其中反激式電源又占大部分而其中反激式電源又占大部分,幾乎幾乎常見的消費類產(chǎn)品全是反激式電源。常見的消費類產(chǎn)品全是反激式電源。 優(yōu)點優(yōu)點：成本低：成本低,外圍元件少，低耗能，適用于寬電外圍元件少，低耗能，適用于寬電 壓范圍輸入壓范圍輸入,可多組輸出可多組輸出. 缺點缺點：輸出紋波比較大。：輸出紋波比較大。(輸出加低內(nèi)阻濾波電容輸出加低內(nèi)阻濾波電容或加或加LC噪聲濾波器可以改善噪聲濾波器可以改善) 今天以自行車充電器為例，詳細講解反激開關(guān)電今天以自行車充電器為例，詳細講解反激開關(guān)電源的設(shè)計流程及元器件的選擇方法。源的設(shè)計流程及元器件的選擇方法。隔離開關(guān)電源框架結(jié)構(gòu)圖隔離開關(guān)電源框架結(jié)構(gòu)圖E

3、MIEMI整流濾波整流濾波變壓器變壓器次級整流濾波次級整流濾波開關(guān)器件開關(guān)器件PWM PWM 控制控制ICIC隔離器件隔離器件采樣反饋采樣反饋輸出輸出高壓區(qū)域高壓區(qū)域低壓區(qū)域低壓區(qū)域電源電路原理圖電源電路原理圖初級側(cè)部分初級側(cè)部分第一個安規(guī)元件第一個安規(guī)元件保險管保險管 作用：作用： 安全防護。在電源出現(xiàn)異常時，保護核心器件不安全防護。在電源出現(xiàn)異常時，保護核心器件不受到損壞。受到損壞。 技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)： 額定電壓額定電壓V V、額定電流、額定電流I I、熔斷時間、熔斷時間I2RTI2RT。 分類：分類： 快斷、慢斷、常規(guī)快斷、慢斷、常規(guī)保險管的參數(shù)計算方法保險管的參數(shù)計算方法 0.60.

4、6為不帶功率因數(shù)校正的功率因數(shù)估值為不帶功率因數(shù)校正的功率因數(shù)估值 PoPo輸出功率輸出功率 效率（設(shè)計的評估值）效率（設(shè)計的評估值） Vinmin Vinmin 最小的輸入電壓最小的輸入電壓 2 2為經(jīng)驗值，在實際應(yīng)用中，保險管的取值范圍是理為經(jīng)驗值，在實際應(yīng)用中，保險管的取值范圍是理論值的論值的1.531.53倍。倍。 0.98 0.98 功率因數(shù)功率因數(shù)值（值（PFPF）6 . 02min01inVPF98. 02min01inVPF關(guān)于功率因數(shù)關(guān)于功率因數(shù) 大部分用電設(shè)備，其工作電壓直接取自交流電網(wǎng)。大部分用電設(shè)備，其工作電壓直接取自交流電網(wǎng)。所以電網(wǎng)中會有許多家用電器、工業(yè)電子設(shè)備等

5、所以電網(wǎng)中會有許多家用電器、工業(yè)電子設(shè)備等非線性負載，這些用電器在使用過程中會使電網(wǎng)非線性負載，這些用電器在使用過程中會使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波電壓和電流。沒有采取功率因數(shù)校正技產(chǎn)生諧波電壓和電流。沒有采取功率因數(shù)校正技術(shù)的術(shù)的AC-DC整流電路，輸入電流波形呈尖脈沖狀。整流電路，輸入電流波形呈尖脈沖狀。交流網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)只有交流網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)只有0.50.7，電流的總諧波畸，電流的總諧波畸變（變（THD）很大，可超過）很大，可超過100%。采用功率因數(shù)校。采用功率因數(shù)校正技術(shù)后，功率因數(shù)值為正技術(shù)后，功率因數(shù)值為0.999時，時，THD約為約為3%。為了防止電網(wǎng)的諧波污染，或限制電子設(shè)備向電為了防止電網(wǎng)的

6、諧波污染，或限制電子設(shè)備向電網(wǎng)發(fā)射諧波電流，國際上已經(jīng)制定了許多電磁兼網(wǎng)發(fā)射諧波電流，國際上已經(jīng)制定了許多電磁兼容標準，如容標準，如IEEE519、IEC1000-3-2等。等。相關(guān)知識關(guān)于功率因數(shù)關(guān)于功率因數(shù) 功率因數(shù)的校正功率因數(shù)的校正(PFC)主要有兩種方法：無源功率主要有兩種方法：無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。 無源功率因數(shù)校正利用線性電感器和電容器組成濾波無源功率因數(shù)校正利用線性電感器和電容器組成濾波器來提高功率因數(shù)、降低諧波分量。這種方法簡單、器來提高功率因數(shù)、降低諧波分量。這種方法簡單、經(jīng)濟，在小功率中可以取得好的效果。但是，在較大經(jīng)濟，在小功率

7、中可以取得好的效果。但是，在較大功率的供電電源中，大量的能量必須被這種濾波器儲功率的供電電源中，大量的能量必須被這種濾波器儲存和管理，因此需要大電感器和電容器，這樣體積和存和管理，因此需要大電感器和電容器，這樣體積和重量就比較大也不太經(jīng)濟，而且功率因數(shù)的提高和諧重量就比較大也不太經(jīng)濟，而且功率因數(shù)的提高和諧波的抑制也不能達到理想的效果。波的抑制也不能達到理想的效果。 有源功率因數(shù)校正是使用所謂的有源電流控制功率因數(shù)有源功率因數(shù)校正是使用所謂的有源電流控制功率因數(shù)的校正方法，可以迫使輸入電流跟隨供電的正弦電壓變的校正方法，可以迫使輸入電流跟隨供電的正弦電壓變化。這種功率因數(shù)校正有體積小、重量輕、

8、功率因數(shù)可化。這種功率因數(shù)校正有體積小、重量輕、功率因數(shù)可接近接近1等優(yōu)點。等優(yōu)點。相關(guān)知識NTCNTC電阻電阻的的作用作用 NTCNTC（負溫度系數(shù)）電阻，是以氧化錳等為主要（負溫度系數(shù)）電阻，是以氧化錳等為主要原料制造的精細半導(dǎo)體電子陶瓷元件。電阻值隨原料制造的精細半導(dǎo)體電子陶瓷元件。電阻值隨溫度升高而降低且呈現(xiàn)非線性變化。利用這一特溫度升高而降低且呈現(xiàn)非線性變化。利用這一特性，在電路的輸入端串聯(lián)一個性，在電路的輸入端串聯(lián)一個負溫度負溫度系數(shù)熱敏電系數(shù)熱敏電阻增加線路的阻抗，這樣可以有效的抑制電路開阻增加線路的阻抗，這樣可以有效的抑制電路開機時產(chǎn)生的浪涌電壓形成的浪涌電流。當(dāng)電路進機時產(chǎn)生

9、的浪涌電壓形成的浪涌電流。當(dāng)電路進入穩(wěn)態(tài)工作時，由于線路中的持續(xù)工作電流引起入穩(wěn)態(tài)工作時，由于線路中的持續(xù)工作電流引起NTCNTC發(fā)熱，使得電阻器的電阻值變得很小，對線發(fā)熱，使得電阻器的電阻值變得很小，對線路的影響可以完全忽略。路的影響可以完全忽略。 公式中：公式中： 1. Rt 1. Rt 是熱敏電阻在是熱敏電阻在T1T1溫度下的阻值；溫度下的阻值； 2. Rn 2. Rn是熱敏電阻在常溫是熱敏電阻在常溫TnTn下的標稱阻值；下的標稱阻值； 3. B 3. B是材質(zhì)參數(shù)是材質(zhì)參數(shù)( (常用范圍常用范圍2000K6000K)2000K6000K)； 4. exp 4. exp是以自然數(shù)是以自然

10、數(shù) e e 為底的指數(shù)（為底的指數(shù)（ e =2.71828 e =2.71828 ）；）； 5. T1 5. T1和和TnTn為絕對溫度為絕對溫度K K（即開爾文溫度），（即開爾文溫度），K K度度=273.15(=273.15(絕對溫度絕對溫度)+)+攝氏度；攝氏度；)11(1nTTBnteRRNTCNTC的的選擇依據(jù)選擇依據(jù)壓敏電阻的作用壓敏電阻的作用 壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間時，壓敏電性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間時，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)

11、阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。對后級電路的保護。 主要主要作用作用：過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖：過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導(dǎo)體元器件等。峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導(dǎo)體元器件等。 主要主要參數(shù)參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時間有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時間等。等。 壓敏電阻的響應(yīng)時間為壓敏電阻的響應(yīng)時間為ns級，比空氣放電管快，比級，比空氣放電管快，比TVS管（瞬間抑制二極管）稍慢一些，一般情況下用于電子管（瞬間抑制二極管）稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護，其

12、響應(yīng)速度可以滿足電路要求。電路的過電壓保護，其響應(yīng)速度可以滿足電路要求。 選取壓敏電阻的方法選取壓敏電阻的方法壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流，在用作過壓保護時必須考慮到這一點。壓敏電阻的選用，一續(xù)電流，在用作過壓保護時必須考慮到這一點。壓敏電阻的選用，一般選擇標稱壓敏電壓般選擇標稱壓敏電壓V1mAV1mA和通流容量兩個參數(shù)。和通流容量兩個參數(shù)。a 為電路電壓波動系數(shù)，一般取值為電路電壓波動系數(shù)，一般取值1.2；Vrms 為交流輸入電壓有效值；為交流輸入電壓有效值；b 為壓敏電阻誤差，一般取值為壓敏電

13、阻誤差，一般取值0.85；C 為元件的老化系數(shù)，一般取值為元件的老化系數(shù)，一般取值0.9；2 為交流狀態(tài)下要考慮峰峰值；為交流狀態(tài)下要考慮峰峰值；V1mA 為壓敏電阻電壓實際取值近似值；為壓敏電阻電壓實際取值近似值；通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25情況下，對于規(guī)情況下，對于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化不超定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化不超過過 10時的最大脈沖電流值。時的最大脈沖電流值。 VVbcaVVcbVVamArmsmArms042.48829 . 085. 02202 . 1

14、11，選取壓敏電阻的方法選取壓敏電阻的方法 結(jié)合前面所述，來看一下本電路中壓敏電結(jié)合前面所述，來看一下本電路中壓敏電阻的型號所對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)。阻的型號所對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)。EMIEMI電路電路 X電容，共模電感（也叫共模扼流圈電容，共模電感（也叫共模扼流圈 ），），Y電容電容 根據(jù)根據(jù)IEC 60384-14,安規(guī)電容安規(guī)電容器分器分為為X電容電容及及Y電容電容: 1. X電容電容是指是指跨與跨與L-N之之間間的的電電容器容器, 2. Y電電容是指跨容是指跨與與L-G/N-G之之間間的的電電容器容器. 安規(guī)電容之安規(guī)電容之-X X電容電容 X電容多選用耐紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容。這種電容多選

15、用耐紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容。這種類型的電容類型的電容,體積較大體積較大,但其允許瞬間充放電的電流也很大但其允許瞬間充放電的電流也很大,而其內(nèi)阻相應(yīng)較小。而其內(nèi)阻相應(yīng)較小。 X電容容值選取是電容容值選取是F級，此時必須在級，此時必須在X電容的兩端并聯(lián)一電容的兩端并聯(lián)一個安全電阻個安全電阻,用于防止電源線拔掉時用于防止電源線拔掉時,由于該電容被充電荷由于該電容被充電荷沒泄放而致電源線插頭長時間帶電。沒泄放而致電源線插頭長時間帶電。 安全標準規(guī)定安全標準規(guī)定,當(dāng)正當(dāng)正在工作之中的機器電源線被拔掉時在工作之中的機器電源線被拔掉時,在兩秒鐘內(nèi)在兩秒鐘內(nèi),電源線插電源線插頭兩端帶電的電壓頭兩端帶電

16、的電壓(或?qū)Φ仉娢换驅(qū)Φ仉娢?必須小于原來額定工作電必須小于原來額定工作電壓的壓的30%。 作為安全電容之一的作為安全電容之一的X電容電容,也要求必須取得安全檢測機構(gòu)也要求必須取得安全檢測機構(gòu)的認證。的認證。X電容一般都標有安全認證標志和耐壓電容一般都標有安全認證標志和耐壓AC250V或或AC275V字樣字樣,但其真正的直流耐壓高達但其真正的直流耐壓高達2000V以上以上,使用使用的時候不要隨意使用標稱耐壓的時候不要隨意使用標稱耐壓AC250V或者或者DC400V之類之類的普通電容來代用。的普通電容來代用。安規(guī)電容之安規(guī)電容之-X X電容電容 X電容主要用來抑制差模干擾電容主要用來抑制差模干擾

17、 安全等級安全等級 峰值脈沖電壓峰值脈沖電壓 等級（等級（IEC664） X1 2.5kV 4.0kV X2 2.5kV X3 1.2kV X電容沒有具體的計算公式，前期選擇都是依據(jù)經(jīng)驗值，電容沒有具體的計算公式，前期選擇都是依據(jù)經(jīng)驗值，后期在實際測試中，根據(jù)測試結(jié)果做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。后期在實際測試中，根據(jù)測試結(jié)果做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 經(jīng)驗：若電路采用兩級經(jīng)驗：若電路采用兩級EMI，則前級選擇，則前級選擇0.47uF,后級采用后級采用0.1uF電容。若為單級電容。若為單級EMI，則選擇，則選擇0.47uF電容。（電容電容。（電容的容量大小跟電源功率沒有直接關(guān)系）的容量大小跟電源功率沒有直接關(guān)系）安規(guī)電容

18、之安規(guī)電容之-Y Y電容電容 單相交流電源輸入分為單相交流電源輸入分為3個端子：火線（個端子：火線（L）/零線（零線（N）/地線（地線（G）。在火線和地線之間以及在零線和地線之間并）。在火線和地線之間以及在零線和地線之間并接的電容接的電容, 這兩個這兩個Y電容連接的位置比較關(guān)鍵電容連接的位置比較關(guān)鍵,必須要符合必須要符合相關(guān)安全標準相關(guān)安全標準, 以防引起電子設(shè)備漏電或機殼帶電以防引起電子設(shè)備漏電或機殼帶電,容易危容易危及人身安全及生命。它們都屬于安全電容及人身安全及生命。它們都屬于安全電容,從而要求電容從而要求電容值不能偏大值不能偏大,而耐壓必須較高。而耐壓必須較高。 Y電容主要用于抑制共模

19、干擾電容主要用于抑制共模干擾 Y電容的存在使得開關(guān)電源有一項漏電流的電性能指標。電容的存在使得開關(guān)電源有一項漏電流的電性能指標。 工作在亞熱帶的機器工作在亞熱帶的機器,要求對地漏電電流不能超過要求對地漏電電流不能超過0.7mA;工作在溫帶的機器工作在溫帶的機器,要求對地漏電電流不能超過要求對地漏電電流不能超過0.35mA。因此因此,Y電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700PF（472）。）。Y Y電容的作用及取值經(jīng)驗電容的作用及取值經(jīng)驗 Y Y電容底下又分為電容底下又分為Y1, Y2, Y3Y1, Y2, Y3，Y4, Y4, 主要差主要差別別在于在于: : 1. Y1耐

20、高壓大于耐高壓大于8 kV,屬于雙重絕緣或加強絕緣屬于雙重絕緣或加強絕緣|額定電壓范圍額定電壓范圍 250V 2. Y2耐高壓大于耐高壓大于5 kV,屬于基本絕緣或附加絕緣屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍額定電壓范圍150V 250V 3. Y3耐高壓耐高壓 2.5KV 5KV 屬于基本絕緣或附加絕緣屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓額定電壓范圍范圍150V 250V 4. Y4耐高壓大于耐高壓大于2.5 kV屬于基本絕緣或附加絕緣屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍額定電壓范圍NP2 | NP2 otherwise 匝比的計算匝比的計算 n=Dmax/(1-Dmax)/Vout+Vf 次級線圈的計算次級線圈的計算 NS=NP/n 輔助繞組線圈的計算輔助繞組線圈的計算Nfb=(Vf+Vfb/Vout+Vf)*NS 反推驗證反推驗證Dmax Dmax=n*(Vout+Vf)/2*Vinmin+n*(Vout+Vf) 氣隙的計算氣隙的計算 Lg=4*3.14*10-7*NP2*Ae/Lp 為什么要開氣隙？為什么要開氣隙？ 反激變換器中，變壓器起著電感和變壓器的反激變換器中，變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，因而變壓器磁芯處于直流偏磁狀態(tài)，雙重作用，因而變壓器磁芯處于直流偏磁狀態(tài)，為防磁飽和因此要加入氣隙。為防磁飽和因此要加