反激式電源設(shè)計(jì)

word文檔可自由復(fù)制編輯如何設(shè)計(jì)返馳式隔離電源導(dǎo)言本文以FPS為例來介紹如何設(shè)計(jì)返馳式隔離電源。設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器基本上是很花功夫的工作，需要對(duì)許多變量反復(fù)作演算與取舍。我們列出并說明一步一步的設(shè)計(jì)程序期望使設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器能容易一些。文章最后之輔助設(shè)計(jì)軟件FPSDesignAssistant包含本文介紹之相關(guān)計(jì)算式，可讓設(shè)計(jì)過程更有效率。如何設(shè)計(jì)FLYBACK隔離電源供應(yīng)器圖1是使用FPS（FairchildPowerSwitcher）返馳式隔離電源轉(zhuǎn)換器的基本線路圖，本文并會(huì)以此為參考線路來說明如何設(shè)計(jì)FLYBACK隔離電源供應(yīng)器。因?yàn)檫\(yùn)用整合MOSFET、PWM及其它周邊線路于單一封裝的FPS，比利用獨(dú)立之MOSFET及PWM控制器來設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器要簡單許多。在設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器會(huì)考慮變壓器之設(shè)計(jì)、輸出濾波電感、輸出與輸入電容的選擇及封閉回路補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。因此我們按照?qǐng)D1之參考線路，依特定的步驟來設(shè)計(jì)我們所需之線路。最后附錄范例，則是利用此步驟而設(shè)計(jì)的輔助軟件來幫助我們完成整個(gè)線路計(jì)算。圖1：基本的flyback隔離電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)步驟本文將以目前的參考線路來說明設(shè)計(jì)的步驟。而幾乎所有FPS其第一腳至第四腳的功能定義是不變的。因此此參考線路適合大部份的FPS。步驟1決定系統(tǒng)規(guī)格：●輸入電壓范圍(Vlinemin及Vlinemax)●輸入交流電頻率●最大輸出功率(Pout)預(yù)估的效率(ηeff)：首先我們需要預(yù)估系統(tǒng)效率以計(jì)算最大輸入功率。當(dāng)沒有資料供參考時(shí)，一般我們會(huì)在低電壓輸出應(yīng)用時(shí)，效率設(shè)在ηeff=0.7～0.75。在高電壓輸出應(yīng)用時(shí)則設(shè)ηeff=0.8～0.85?！褚灶A(yù)設(shè)的效率可算出輸入功率為：若在多組輸出的狀況下，每組輸出所占之比例系數(shù)為：其中Po(n)為第N組之最大輸出，若電源供應(yīng)器只有單組輸出則KL(n)=1，考慮最大輸入功率以選用適當(dāng)?shù)慕M件（如最適當(dāng)?shù)腇PS）。步驟2決定輸入濾波電容容值(CDC)及其電壓VDC之范圍：最大VDC之漣波電壓如下式：其中Dch是CDC電容充電工作周期如圖2所示。一般約為0.2。對(duì)全范圍電壓輸入(85～265Vrms)，應(yīng)設(shè)定ΔVDCmax為√2Vlinemin的10～15％。圖2：輸入濾波電容波形由ΔVDCmax，可知最大及最小之VDC步驟3決定最大之工作周期比（Dmax）：在連續(xù)電流模式（CCM），建議設(shè)定之Dmax小于0.5以避免次諧波振蕩（sub-harmonicoscillation）。從（6）及（7）式表示輸出反射在一次側(cè)之電壓（VRO）與MOSFET的最大標(biāo)稱電壓（nominalvoltage）得知施加在MOSFET的電壓會(huì)因Dmax減少而降低。但亦會(huì)增加施于二次側(cè)整流二級(jí)體之電壓。因此在有足夠的MOSFET耐壓條件下，可盡量設(shè)大Dmax之值，一般Dmax為0.45。步驟4決定一次側(cè)之電感值：Flyback電源轉(zhuǎn)換有兩種工作模式：連續(xù)導(dǎo)通模式（continuousconductionmode，CCM）及不連續(xù)導(dǎo)通模式（discotinuousconductionmode，DCM）。工作模式的變換取決于負(fù)載電流與輸入電壓的變化。因此以最大輸出電流與最小輸入電壓為條件設(shè)計(jì)一次側(cè)之電感。其中fs為切換頻率而KRF是漣波因素如圖3所示。在DCM工作模式時(shí)，KRF=1；在CCM工作模式時(shí)，KRF＜1。對(duì)全范圍輸入電壓，合理之KRF=0.3～0.5。而MOSFET的最大峰值電流及均方根電流如（9）及（10）式：檢查MOSFET之最大峰值電流是否低于FPS脈沖電流限流。圖3：MOSFETDrain電流與漣波因素(KRF)步驟5決定適當(dāng)鐵心及一次側(cè)最小繞線圈數(shù)：實(shí)際上，一開始時(shí)，因有許多變量而只能大略的選擇鐵心。若有制造廠商之選擇指南，可參照來選擇適當(dāng)?shù)蔫F心，若無可參考之資料，則使用（13）之等式作為起點(diǎn)。如圖4所示Aw為鐵心窗戶面積、Ae為鐵心截面積。（單位為mm2）ΔB為在正常工作下磁通密度的變化量（單位為Telsa），對(duì)大部分之功率鐵氧體磁鐵心（ferritecore）來說，值約0.3～0.35T。

根據(jù)所選之鐵心，避免變壓器飽合之一次側(cè)最小圈數(shù)如（14）式：其中Imin為FPS之限流值，Bsat為飽和磁通密度。若無參考資料Bmax可設(shè)為0.35～0.4T。圖4：窗戶面積與鐵心截面積步驟6決定每一輸出之圈數(shù)：首先，決定一次側(cè)與用于回授控制之輸出二次側(cè)電壓之圈數(shù)比。而Np與Ns1各別為一次側(cè)與二次側(cè)作為參考輸出電壓之繞線圈數(shù)。Vo1為輸出電壓，VF1為位于二次側(cè)二級(jí)體之正向?qū)▔航?。因此決定Ns1之適當(dāng)整數(shù)圈數(shù)值，將可能使Np大于（14）式得到之Npmin。有時(shí)Npmin會(huì)遠(yuǎn)大于所求出之值。如此，需要改采較大之鐵心。如果因空間限制或價(jià)格因素而無法使用較大鐵心時(shí)，回到步驟4借著增加漣波因素（KRF）來減低Lm，如此一次側(cè)最小圈數(shù)值亦會(huì)降低。其它輸出電壓之繞線圈數(shù)可由（16）式?jīng)Q定：而Vcc電源之輔助繞組之匝數(shù)為：其中Vcc*為給Vcc之基準(zhǔn)電壓、VFA為二級(jí)體之順向偏壓。因Vcc會(huì)隨著負(fù)載增加而增加，可設(shè)定Vcc*為在Vcc之激活電壓值以避免在正常工作時(shí)觸發(fā)過壓保護(hù)。由于一次側(cè)之繞線圈數(shù)決定，則鐵心之間隙長度則可如（18）得知：其中：AL為無間隙之AL值（單位是nH/turns2）步驟7依每組輸出均方根電流（rms）大小決定每組之繞線線徑：依下式可得知，在二次側(cè)第n組輸出之均方根電流如下：當(dāng)繞線長大于1公尺時(shí)，電流密度基本為5A／mm2，若繞線圈數(shù)較少時(shí)，線長較短則電流密度我們可設(shè)在6-10A／mm2。避免使用線徑大于1mm之繞線以免繞線困難且意會(huì)造成嚴(yán)重的渦流損耗。對(duì)較大之電流輸出，應(yīng)該使用多心線并繞以減少集膚效應(yīng)。我們并需要檢查鐵心窗口面積是否足夠容納這些繞線，由下式可得知所需之窗口面積：步驟8根據(jù)耐電壓與電流規(guī)格選擇二次側(cè)之整流二級(jí)體：第n組輸出之最大電壓與均方根電流由（21）與（22）獲知：步驟9根據(jù)電壓與電流漣波選擇輸出電容：由下列可得到第n組輸出電容之漣波電流：其中Io(n)為第n組輸出之負(fù)載電流。此漣波電流必須小于電容之漣波電流規(guī)格。由下列可得到第n組輸出電容之漣波電壓：其中Co(n)為第n組輸出電容值、Rc(n)為第n組輸出電容之等效電阻（ESR）。有時(shí)因?yàn)楦逧SR，要用一顆電容達(dá)到所需之漣波值是不太可能的。因此可另加一組LC濾波器。使用此LC濾波器時(shí)，需避免太低的轉(zhuǎn)角頻率（cornerfrequency），否則可能造成系統(tǒng)振蕩或控制頻寬太窄。較適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)角頻率約為切換頻率的1／10～1／5。步驟10設(shè)計(jì)RCDSnubber：因snubber線路而耗損之功率如下式：其中Llk為一次側(cè)漏感、Vsn為snubber在正常工作時(shí)之電容電壓、Rsn為snubber電阻。根據(jù)此功率損耗，應(yīng)選擇適當(dāng)額定功率之snubber電阻。而snubber電容的耐壓需大于反設(shè)電壓（VRO）。通常設(shè)Vsn比VRO大50～100V。在正常工作時(shí)之電容電壓漣波如（26）式：通常5～10％的漣波電壓是合理的。在瞬時(shí)或最大負(fù)載情況下之電容電壓漣波如（27）式：因此施于MOSFET之最大電壓為：Vdsmax應(yīng)低于90％的MOSFET額定電壓。圖5：MOSFET與Snubber電容之電壓一次側(cè)漏感的量測可先將所有其它輸出短路，然后讀取一次側(cè)電感值得到。得到的漏感值有較大些乃因?yàn)槎蝹?cè)的漏感反設(shè)至一次側(cè)。步驟11設(shè)計(jì)回授回路︰圖6：控制方塊因FPS采用電流控制模式如圖6所示，此回授回路形成一個(gè)極點(diǎn)（pole）及一個(gè)零點(diǎn)（zero）的補(bǔ)償線路。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，使用PFS之flyback轉(zhuǎn)換器，控制到輸出之轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：其中VDC為直流輸入電壓，RL為受控制之輸出的總等效負(fù)載電阻，定義為Vol2Po。當(dāng)轉(zhuǎn)換器有超過一組輸出時(shí)，直流而低頻之控制到輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)與總并聯(lián)輸出等效負(fù)載電阻成正比，可以圈數(shù)比的平方來調(diào)整。因此在（29）式中，使用等效電阻來取代Vol的實(shí)際負(fù)載電阻。FPS之電壓轉(zhuǎn)電流之轉(zhuǎn)換率K定義如下：其中Ipk是峰值Drain極電流而VFB是既定工作條件下之回授電壓。在（29）式中有一個(gè)右半平面之零點(diǎn)（wrz），因?yàn)橛野肫矫嬷泓c(diǎn)使相位減少90度，交越頻率（crossoverfrequency）需低于右半平面零點(diǎn)之頻率。

圖7顯示連續(xù)導(dǎo)通模式之flybac轉(zhuǎn)換器因輸入電壓改變，控制到輸出之轉(zhuǎn)換函數(shù)之變化。我們可看到系統(tǒng)極點(diǎn)、零點(diǎn)與直流增益隨著輸入電壓而改變。在高輸入電壓情形下，有最大增益。在低輸入電壓情形下，有最低之零點(diǎn)。

▲圖7：CCMflyback轉(zhuǎn)換器因輸入電壓改變，控制到輸出之轉(zhuǎn)換函數(shù)之變化。圖8顯示連續(xù)導(dǎo)通模式之flybac轉(zhuǎn)換器因負(fù)載改變，控制到輸出之轉(zhuǎn)換函數(shù)之變化。我們可看到低頻增益不隨負(fù)載電流大小改變。而在滿載條件下，右半平面零點(diǎn)有最低點(diǎn)。

▲圖8：CCMflyback轉(zhuǎn)換器因負(fù)載改變，控制到輸出之轉(zhuǎn)換函數(shù)之變化在非連續(xù)導(dǎo)通模式下，使用PFS之flybac轉(zhuǎn)換器，控制到輸出之轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：其中：圖9顯示非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）之flyback轉(zhuǎn)換器因負(fù)載改變，控制到輸出之轉(zhuǎn)換函數(shù)之變化。與連續(xù)導(dǎo)通模式相反，非連續(xù)導(dǎo)通模式?jīng)]有右半平面零點(diǎn)且直流增益不隨輸入電壓而改變。我們可看到除了直流增益外，整個(gè)增益在滿載時(shí)最大。

▲圖9：DCMflyback轉(zhuǎn)換器因負(fù)載改變，控制到輸出之轉(zhuǎn)換函數(shù)之變化。圖6回授補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：其中：設(shè)計(jì)回授電路時(shí)，當(dāng)輸入電壓與負(fù)載電流有大范圍的變化，是不容易決定最惡劣狀況。極點(diǎn)、零點(diǎn)與增益隨工作條件移動(dòng)，甚至轉(zhuǎn)換器隨負(fù)載電流減少或輸入電壓增加時(shí)，工作模式會(huì)從CCM進(jìn)入DCM。一種簡單且實(shí)際的方法來處理此問題，就是針對(duì)低電壓輸入及滿載條件下設(shè)計(jì)足夠相位與增益空間（PhaseMargin&GainMargin）之回授電路。

當(dāng)在CCM工作模式，在低輸入電壓且滿載條件，有最低右半平面零點(diǎn)。但增益只增加6dB當(dāng)從低壓到高壓。因此針對(duì)低輸入電壓與滿載條件下設(shè)計(jì)回授電路，并多保留45度的相位空間可確保任何工作條件下皆能穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)回授回路的程序如下：

(a)決定交越頻率（fc）。

在CCM工作模式，fc設(shè)定低于右半平面零點(diǎn)的1／3，以受降低右半平面零點(diǎn)的影響。在DCM工作模式下，可設(shè)定較高頻率之fc，因?yàn)镈CM模式無右半平面零點(diǎn)。

(b)當(dāng)在輸出另增LC濾波器時(shí)，交越頻率應(yīng)低于LC轉(zhuǎn)角頻率的1／3，因?yàn)長C造成-180度相位差。千萬不可使fc大于LC轉(zhuǎn)角頻率。當(dāng)fc太接近LC轉(zhuǎn)角頻率，控制器應(yīng)有超過90度的相位空間以忽略濾波器的效應(yīng)。

(c)決定補(bǔ)償器的直流增益（wi／wzc）來消除在fc之控制到輸出增益。

(d)補(bǔ)償器零點(diǎn)（fzc）置于大約fc／3位置。

(d)補(bǔ)償器極點(diǎn)（fpc）置于超過3fc位置。

▲圖10：補(bǔ)償器設(shè)計(jì)決定回授線路之組件要求：

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