反激开关电源计算

电源

反激开关电源计算

2019-07-13 23:07发布生成海报

站内文章 / 电源技术

9500 0

目录反激式开关电源输出整流滤波电路工作状态分析单端反激式开关电源磁芯尺寸和类型的选择反激式开关电源设计的思考一反激式开关电源设计的思考二---气隙的作用反激式开关电源设计的思考三(磁芯的选取) 反激式开关电源设计的思考四反激式开关电源设计的思考五反激式开关电源设计的思考六
反激式开关电源输出整流滤波电路工作状态分析
    反激式开关电源输出整流滤波电路原理上是最简单的。但是，由于反激式开关电源的能量传递必须通过变压器转换实现，并压器的初次级两侧的开关（MOSFET或整流二极管）均工作在电流断续状态。在相同输出功率条件下，反激式开关电源的开关流过的电流峰值和有效值大于正激式、桥式、推挽式开关电源。为了获得更低的输出电压尖峰，通常的反激式开关电源工作在电感电流（变压器储能）断续状态，这就进一步增加了开关元件的电流额定。
    开关电源的电路拓扑对输出整流滤波电容器影响也是非常大的，由于反激式开关电源的输出电流断续性，其交流分量需要由输出整流滤波电容器吸收，当电感电流断续时输出整流滤波电容器的需要吸收的纹波电流相对最大。
    对应的输出整流二极管的电流波形如图1，输出滤波电容器的电流波形如图2。

图1 反激式开关电源的输出整流二极管的电流波形

图2 输出滤波电容器的电流波形
    由图1可以得到流过输出整流二极管电流峰值与平均值、有效值的关系为如下。
流过输出整流器的峰值电流与平均值电流的关系：
     （1）
流过输出整流器的有效值电流与峰值电流的关系：
     （2）
流过整流器的有效值电流与平均值电流的关系：
     （3）
    式中：IrecM、Irecrms、IO、Dmax分别为流过输出整流器的峰值电流、有效值电流、平均值电流和输出整流二极管的最大导通占空比。
    流过输出滤波电容器的电流有效值略小于流过输出整流器的有效值电流。
    式（1）、（2）、（3）表明，随着输出整流器导通占空比的减小，相同输出电流平均值对应的峰值电流、有效值电流随占空比的减小而增加。
    在大多数情况下，反激式开关电源工作在变压器电流临界或断续状态。在变压器电流临界状态下，初级侧开关管导通占空比与输出整流器导通占空比相加为1。
    在大多数情况下，反激式开关电源的输出整流器的最大导通占空比约为0.5。这样，流过输出整流器的电流峰值与输出平均值电流之间的关系为：
      （4）
有效值电流于输出电流平均值的关系为：
      （5） 2．设计实例与分析
某反激式开关电源的技术参数为：电路图拓扑：反激式；输入电压：85Vac~264Vac工作频率：65kHz ；输出：12V/5A；纹波电压：50mV；CLC滤波。
（1）第一级滤波电容器的选择
    对于输出电流5A对应的峰值电流为20A、有效值电流为14.14A，其中大部分流入滤波电容器。按最高温度的纹波电流2倍选用电容器，滤波电容器的纹波电流之和至少要7A。
    25V/1000μF低ESR铝电解电容器的额定纹波电流约为1A，需要7只并联。如果非要5只并联甚至4只并联，也是可以运行的，但是不具有长期可靠性。
    25℃温度下，25V/1000μF低ESR铝电解电容器的ESR约为0.09Ω。7只并联对应的ESR为129mΩ、5只并联为180mΩ、4只并联为225mΩ。由电流变化在ESR上产生的峰值电压分别为2.59V、3.60V、4.50V。除此之外，滤波电容器的ESL还会在整流二极管开通时由于电流的跃变而产生感生电势，这个感生电势同样会加到滤波电容器上，因此，滤波电容器上的峰值电压将不只是上述的2.59V、3.60V、4.50V。其电压波形如图3。

图3 第一级滤波电容器的电压波形很显然，2.59V、3.60V、4.50V是不能满足设计要求的，需要在第一级滤波电容器后面加上一级LC低通滤波器。

（2）第二极LC低通滤波器的设计与参数选择
第二级需要考虑的是如何将不能满足要求纹波电压经过LC滤波使其满足要求。通常滤波电感可以选择30~100μH，输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波电压是否可以满足要求，还要考虑抑制负载电流的变化，在这里可以选择330~1000μF/25V。

单端反激式开关电源磁芯尺寸和类型的选择

徐丽红王佰营 wbymcs51.blog.bokee.net A、InternationalRectifier公司--56KHz 输出功率推荐磁芯型号 0---10WEFD15 SEF16 EF16 EPC17 EE19 EF(D)20 EPC25 EF(D)25 10-20WEE19 EPC19 EF(D)20 EE,EI22 EF(D)25 EPC25 20-30WEI25 EF(D)25 EPC25 EPC30 EF(D)30 ETD29 EER28(L) 30-50WEI28 EER28(L) ETD29 EF(D)30 EER35 50-70WEER28L ETD34 EER35 ETD39 70-100WETD34 EER35 ETD39 EER40 E21 摘自InternationalRectifier,AN1018-“应用IRIS40xx系列单片集成开关IC开关电源的反激式变压器设计” B、ELYTONE公司---100KHzwbymcs51.blog.bokee.net 型号输出功率（W） <5 5-10 10-20 20-50 50-100 100-200 200-500 500-1K EI EI12.5 EI16 EI19 EI25 EI40 EI50 EI60 -- EE EE13 EE16 EE19 EE25 EE40 EE42 EE55 EE65 EF EF12.6 EF16 EF20 EF25 EF30 EF32 -- -- EFD -- EFD12 EFD15 EFD20 EFD25 EFD30 -- -- EPC -- EPC13 EPC17 EPC19 EPC25 EPC30 -- -- EER EER9.5 EER11 EER14.5 EER28 EER35 EER42 EER49 -- ETD -- -- ETD29 ETD34 ETD44 ETD49 ETD54 -- EP EP10 EP13 EP17 EP20 -- -- -- -- RM RM4 RM5 RM6 RM10 RM12 RM14 -- -- POT POT1107 POT1408 POT1811 POT2213POT3019 POT3622 POT4229 -- PQ -- -- -- PQ2016 PQ2625 PQ3230 PQ3535 PQ4040 EC -- -- -- -- -- EC35 EC41 EC70 摘自PowerTransformers OFF-LINE Switch Mode APPLICATION NOTES "Converter circuitas a function of S.M.P.S. output voltage (Vo) and output power (Po)" C、Fairchild Semiconductor公司--67KHz Output Power EIcore EE core EPC core EER core 0-10W EI12.5 EE8 EPC10 EI16 EE10 EPC13 EI19 EE13 EPC17 EE16 10-20W EI22 EE19 EPC19 20-30W EI25 EE22 EPC25 EER25.5 30-50W EI28 EE25 EPC30 EER28 EI30 50-70W EI35 EE30 EER28L 70-100W EI40 EE35 EER35 100-150W EI50 EE40 EER40 EER42 150-200W EI60 EE50 EER49 EE60 The core quickselection table For universal input range, fs=67kHz and 12V singleoutput 摘自：Application Note AN4140 Transformer Design Consideration for off-lineFlybackTMConverters using Fairchild Power Switch (FPS) D、单端反激式变压器磁芯的选择公式wbymcs51.blog.bokee.net Ve =5555 * P / f 式中：Ve——为磁芯的体积：Ve=Ae*Le；单位为：毫米立方； P——为输入功率；单位为：瓦； f——为开关频率；单位为：千赫兹；本公式假设：Bm=0.3T,Lg/Le=0.5%=气隙长度/磁芯等效长度；如果Lg/Le=气隙长度/磁芯等效长度=1%时，又如何计算呢？（请考虑）输出功率、磁芯截面积和开关频率决定气隙，因为在反激式开关电源中气隙的体积大小决定储能的多少，频率决定能量传输的快慢；如：EI25Ve=2050mm³，Ae=42平方毫米，Le=49.4mm；f=40KHz；η=0.75； Lg= 0.005*49.4 = 0.247mm ---气隙长度 Pin =Ve*F/5555 = 2050*40/5555 = 14.76W； Pout =η*Pin= 0.75 * 14.76 = 11.07W; 若：f=100KHz 则： Pout = 11.07W *(100/40) = 27.675W;

反激式开关电源设计的思考一

王佰营徐丽红对一般变压器而言，原边绕组的电流由两部分组成，一部分是负载电流分量，它的大小与副边负载有关；当副边电流加大时，原边负载电流分量也增加，以抵消副边电流的作用。另一部分是励磁电流分量，主要产生主磁通，在空载运行和负载运行时，该励磁分量均不变化。励磁电流分量就如同抽水泵中必须保持有适量的水一样，若抽水泵中无水，它就无法产生真空效应，大气压就无法将水压上来，水泵就无法正常工作；只有给水泵中加适量的水，让水泵排空，才可正常抽水。在整个抽水过程中，水泵中保持的水量又是不变的。这就是，励磁电流在变压器中必须存在，并且在整个工作过程中保持恒定。正激式变压器和上述基本一样，初级绕组的电流也由励磁电流和负载电流两部分组成；在初级绕组有电流的同时，次级绕组也有电流，初级负载电流分量去平衡次级电流，激励电流分量会使磁芯沿磁滞回线移动。而初次级负载安匝数相互抵消，它们不会使磁芯沿磁滞回线来回移动，而励磁电流占初级总电流很小一部分，一般不大于总电流10％，因此不会造成磁芯饱和。反激式变换器和以上所述大不相同，反激式变换器工作过程分两步：第一：开关管导通，母线通过初级绕组将电能转换为磁能存储起来；第二：开关管关断，存储的磁能通过次级绕组给电容充电，同时给负载供电。可见，反激式变换器开关管导通时，次级绕组均没构成回路，整个变压器如同仅有一个初级绕组的带磁芯的电感器一样，此时仅有初级电流，转换器没有次级安匝数去抵消它。初级的全部电流用于磁芯沿磁滞回线移动，实现电能向磁能的转换；这种情况极易使磁芯饱和。磁芯饱和时，很短的时间内极易使开关管损坏。因为当磁芯饱和时，磁感应强度基本不变，dB/dt近似为零，根据电磁感应定律，将不会产生自感电动势去抵消母线电压，初级绕组线圈的电阻很小，这样母线电压将几乎全部加在开关管上，开关管会瞬时损坏。由上边分析可知，反激式开关电源的设计，在保证输出功率的前提下，首要解决的是磁芯饱和问题。如何解决磁芯饱和问题？磁场能量存于何处？将在下一篇文章：反激式开关电源变压器设计的思考二中讨论。

反激式开关电源设计的思考二---气隙的作用

“反激式开关电源设计的思考一”文中，分析了反激式变换器的特殊性防止磁
芯和的重要性，那么如何防止磁芯的饱和呢？大家知道增加气隙可在相同ΔB的
情况下，ΔIW的变化范围扩大许多,为什么气隙有此作用呢?
由全电流定律可知: 由上例可知，同一个磁芯在电流不变的条件下，仅增加1mm气隙，加气隙的磁
感强度仅为不加气隙的磁感应强度的4.8%，看来效果相当明显。
   加了气隙后，是否会影响输出功率呢？换句话说，加了气隙变压器还能否储
原来那些能量呀？看一下下面的例子就知道了：
在“思考一”一文中已讨论过，当开关管导通时，次级绕组均不构成回路，此
时，变压器象是仅有一个初级绕组带磁芯的电感器一样，母线将次级需要的全部
能量都存在这个电感器里。如下图1就是一个有气隙的电感器：
图1表示一个磁芯长为lm，气隙长为lg，截面积为Ae的磁芯，在其上绕N匝线圈，
当输入电压为Ui时，输入功率为Wi： 6式右边的积分为图2中阴影部分面积A，即就是说：
    磁场能量的大小等于磁化曲线b和纵轴所围成的面积大小。图1中，假定磁路
各部分的面积相等，磁芯各部分的磁场强度为Hm，气隙部分的磁场强度为Hg，由
全电流定律得： 11式右边第一项是磁芯中的磁场能量，第二项是气隙部分的磁场能量，分别用
Wi和Wg表示；那么：         图3中，曲线m表示图1电感器无气隙时的磁化曲线，曲线g表示有气隙时的磁
化曲线。图中，面积Am表示储存在磁芯部分的磁场能量；面积Ag表示储存在气隙
部分的磁场能量。上面讲了气隙的作用以及磁场能量在变压器中的分布，那么，
根据输出功率如何选用磁芯呢？将在反激式开关电源设计思考三中讨论。

反激式开关电源设计的思考三(磁芯的选取)

王佰营徐丽红 wbymcs51.blog.bokee.net 在DCM状态下选择：
Uin－电源输入直流电压
Uinmin－电源输入直流电压最小值
D－占空比
Np－初级绕组匝数
Lp－初级绕组电感量
Ae－磁芯有效面积
Ip－初级峰值电流
f－开关频率
Ton－开关管导通时间
I－初级绕组电流有效值
η－开关电源效率
J－电流密度通过（3）式可方便计算出反激式开关电源在电流断续模式
时磁芯的AeAw值，通过查厂商提供的磁芯参数表就可选择
合适的磁芯，在选择磁芯时要留一定的余量。
例如：有一反激式开关电源输出功率为10W，开关频率为
40KHz, ΔB为