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資深工程師分享開關(guān)電源設(shè)計經(jīng)驗

發(fā)布時間:2015-02-28 責任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】本文資深工程師講解關(guān)于開關(guān)電源的設(shè)計,從理論基礎(chǔ)開始,并對其中難點進行講解。文中幾乎包含了所有的常見拓撲電路,并且為采用自學方式的工程師量身打造,希望能夠幫助大家走出迷茫,盡快邁上正軌。
  
計算初級電感量
 
 
 
K值就是上面說的電流連續(xù)比上面計算書定義的Ip2是電流上升前沿Ip1是電流上升后沿。所以當K=0的時候變壓器是工作在臨界模式以下的為防止計算出錯一般習慣取0.001.
  
斷續(xù)模式Ip就是ΔI;
 
  
 
得到了ΔI由--》E*T=L*ΔI得:
  
Lp=(Vinmin*Tonmax)/ΔI
  
這時候就得到了變壓器初級所需要的電感量。
 
選擇合適的磁芯計算匝數(shù)
  
關(guān)于磁芯的選擇網(wǎng)上有關(guān)于Ap法的很多計算公式。其實在做項目的時候根本沒用過一次Ap法。對于公司已有的相同功率等級的型號,可以直接參照別的型號的磁芯作為初始設(shè)計出發(fā)點。
  
要是線繞不下,就抬高工作頻率,骨架太空了,就選小一號的,一般經(jīng)過幾次迭代或者實驗就出來了。對于完全全新的型號,是根據(jù)經(jīng)驗估算一個初始點,然后經(jīng)過反復(fù)迭代得出結(jié)果的。其實對于一般的功率等級,向反激式這種拓撲,多大功率用多大磁芯,經(jīng)驗豐富一點的工程師都知道,可以向他們請教。
 
選定了磁芯后,根據(jù)規(guī)格書得到對應(yīng)的Ae值,然后就可以進行匝數(shù)計算。
 
由E*T=Lp*ΔI=Np*Ae*ΔB
  
對于斷續(xù)模式ΔB=Bmax,
  
對于連續(xù)模式
  
ΔB=Bmax*(1-K)
  
因為連續(xù)模式電流有一部分直流分量,對應(yīng)Bmax也有一部分直流勵磁。這個一定注意,連續(xù)模式要是直接用Bmax來計算匝數(shù)匝數(shù)就會算少所以很容易就會飽和了。
  
有關(guān)Bmax的取值,對于常見的PC40/PC44材料,保證在最惡劣工作狀態(tài)下,不要超過0.38。計算的時候,一般選取0.28-0.32之間,假如在極限條件下抓到飽和波形,可以抬高一點頻率。
 
 
 
上面公式是計算斷續(xù)模式匝數(shù)的。
  
ΔB=Bmax,
 
對于連續(xù)模式,上面式子一定要修改為:
  
ΔB=Bmax*(1-K)
 
要不然計算出的匝數(shù)偏小,動態(tài)情況下很容易就飽和了。
  
計算氣隙長度
 
 
公式推導(dǎo)比較簡單的,具體的可以自行百度。安培環(huán)路定則還有做電源的倆最基本的公式消元法就OK了。
  
上面做了近似,近似所有的磁場能量都儲存在氣隙里面,因為磁芯的磁導(dǎo)率很高,氣隙的磁場強度是磁芯的幾時到幾百倍,所以,近似磁芯為磁路短路,磁回路長度近似為氣隙長度。
 
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計算次級匝數(shù)
  
注意合理匝數(shù)取整。這個結(jié)合自己項目實際情況,取整后,變比會有所變化,Dmax也會有所變化,所以需要用取整后的參數(shù)進行核算Bmax。
 
 
  
對取整以后的變壓器參數(shù)進行反向核算
  
因為對變壓器進行了匝數(shù)取整變比也就成了一個確定值。Vinmin已知,變比n已知。
 
 
 
上面的公式我不推導(dǎo)了還是利用伏秒積平衡原理。
  
變壓器初級電流我們在確定初級電感量的時候,是使用平均值反推出峰值,但是,由于變壓器繞組主要損耗是線電阻損耗,電流在電阻負載上的功耗計算,需要有效值電流。反激式工作電流波有兩種狀態(tài),斷續(xù)模式與連續(xù)模式。
 
  
兩種波形有各自的有效值電流計算公式
 
我只是很久以前推到過趙修科老師書上有自己可以去參考一下
 
 
上圖是斷續(xù)模式的計算公式
 
計算次級電流有效值
  
反激式初級次級工作電流是對應(yīng)的,初級連續(xù),次級也是連續(xù),初級斷續(xù),次級也是斷續(xù)的,因為初次級共用的是同一個磁芯。
 
  
上面是次級電流有效值的計算,斷續(xù)模式的,并且加入了次級電流連續(xù)或者斷續(xù)的判斷,(判斷這一步其實沒有必要,因為變壓器初級連續(xù),次級也連續(xù),初級斷續(xù),次級也斷續(xù)。)
  
計算線徑
  
電流密度呢,一般都選取6A/mm^2。
  
一定要注意趨膚效應(yīng),最小占空比越小,頻率越高,趨膚效應(yīng)越嚴重。特別是前級帶有PFC的反激式電源。因為考慮到成本,盡量使用600V的Mos管,所以占空比非常小,也就0.15左右,這時候,變壓器初級一定要使用多股線,用單根線的話,需要取更小的電流密度。
 
  
對于一定的電流,需要的導(dǎo)線截面積是一定的,在實際選取線徑的時候,要結(jié)合實際所選的骨架幾何尺寸,做合適的組合,盡量不要散繞,對于某一層繞組,單根線太散的話,可以選取兩根或者幾根細線進行并饒,只要繞組的總截面積在計算值左右就好。
  
至此,與反激式變壓器相關(guān)的設(shè)計流程也就講解完畢了。
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