开关电源硬件电路设计计算及选择

4 开关电源硬件电路设计计算及选择 开关电源设计基本参数： 输入电压范围： DC+18V36V 整流输出 DC 额定电压+24V 输出电压范围： DC+5.0V 额定输出电流： 2.0A 输出纹波电压： 2% 开关电源频率： 50KH 4.1“设计电源”预估算： 1、总的输出功率： （41） nmoutoutIVP1)(A25W0 2、估计输入功率 （42）estouinP8.01W52 注：式中， 为电源效率，取 0.8 输入功率值 DC-DC 部分。 3、直流输入电压： 设计指标要求，DC 直流电压： Vin：DC18V36V 可调； 输入额定电压为 DC+24V。 4、平均输入电流 最大输入电流： （43）lowinhigVPIW185.2 =0.69A 额定输入电流： （44）)(nowiopVPIW245.1 =0.52A 从最大电流输入值 0.69A 可见，开关电源变压器的一次绕组电流容量可选 线标 0.64A，导线直径为 0.63mm，带绝缘直径 0.721mm，导线面积 S=0.32mm2。 因为设计输出最大电流为 2A，所以，二次绕组的电流容量可选线标 2.5A，导线直径为 1.12mm，带绝缘直径为 1.247mm，导线截面积 S=1.04mm2。 UC3842 及外围电路消耗功率小，本次设计所需电流不大可大概从线标中 选择电流容量为 0.51A，导线直径为 0.560mm，带绝缘直径为 0.650mm，导线 面积 S=0.26m2。 5.估计峰值电流： （45）(min)outPKUIVW1805. =3.056(A) 式中：系数选定由事先的拓扑决定，本次设计采用反激式电路。 K=1.4 （对于 Buck 电路、推挽电路和全桥电路） K=2.8 （对于半桥电路和正激式电路） K=5.5 （对于 Bost、Buck-Boost 和反激式电路） 6. 电源频率 50KHz。本次设计选用电源控制器 IC 时，选用工业上通用的 UC3842，单极性输出，能把占空比限制在 50%内，为电流型控制。 4.2. 开关电源高频变压器设计计算。 一次电感： 刚开始，在开关管导通时把一次绕组看作是一个电感器件，并满足下式： （46）prionPKLTI 式： 电感最大峰值电流。PI 将上式 移到左边， 用 带到上式中，用已知的电流工作ir onTf/max 参数，通过下式就可以算出一次最大电感。 （47）fIVLPKinimax()PrHzA31056.3.8 =58.9uH 式中： 最大占空比（通常为 50%） ；max 一次最大电感。iLPr 计算磁芯功率的吞吐量 要验证变压器最大连续输出的功率能否满足负载所需的最大功率，可使用 下式： （48）PfILPoutpPKicorein2r)(1056.39.80523AHz =13.75W 10W （满足要求） 这里选用 MPP 环形磁芯，估计所需磁芯中的能量平均大小为： （49）ILIEPKiPKLr22)056.3(0589.AmH =0.55 参考磁芯手册，选择磁导率为 125 的磁芯，型号为 55310-A2（或 A- 310090-2，M090-090A，CM229125） 。这种磁芯的 为 90mH/1000 匝。L 通过以下计算公式可求得变压器一次绕组、二次绕组、辅助绕组的匝数。 一次绕组的匝数为： （410）ALNiPirPr1021)90/58.(mH =25.58 匝 （取整为 26 匝） 输出电压+5V 的二次绕组匝数（用肖特基整流管）： （411）max(in)Pr)5( )1VNDOi%50826（匝 =7.9 匝 （取整为 8 匝） 辅助绕组+15V 的绕组匝数（采用超快整流二极管）： （412）VND12)(5.0.89 =23.1 匝 （取整为 23 匝） 为了消弱趋肤效应，在高频电路中往往使用多股相互绝缘的细导线来代替 同样面积的粗导线。现将上面计算的导线用细导线代替： 一次绕组计算导线面积为 S=0.32 ，现采用直径为 0.25mm 漆包线需要2m 的匝数为： （413）432.01Dn25.03 =6.5 （股） （取整为 7 股） 二次绕组的计算导线面积为 S= ，现采用直径为 0.45mm 的漆包线204.1m 需要的匝数为： （414）40.122Dn25.013 =6.5 (股) （取整为 7 股） 4.3 直流输入回路滤波电容的选择 直流输入回路主要是输入旁路电容器，其主要是将 DC/DC 变换器的开关管 产生的纹波电流旁路掉。同时避免由于输入侧的引线电感在开关管关断时产生 感生电动势将开关管击穿。一般在选择电容时，对于聚合物电解电容可按下式 进行选择。公式中的参数需在电路搭建成通过示波器测得。 （415）ESRIUtC 式中： 瞬变电压峰峰值； 负荷电流变化幅值；I 响应时间；t C电容量； RESR电容的 ESR。 本次设计输入电压较低，参考文献可选聚合物电解电容 100uF，若选择铝 电解电容，在获得相近的瞬变电压抑制效果可选择 1500uF。实际电路中采用两 只电容，一只 C1=1000uF/150V，一只 C2=470uF/150V。 4.4 选择功率开关管 本设计采用 UC3842 直接驱动 MOSFET 开关管为开关电源的功率管。 MOSFET 开关管的设计选型主要考虑的是漏源极间耐压 VDS、额定平均电流 ID、工作频率 f。 确定漏源极间耐压 VDS： （416）UNiniDoutDSsecPr(min)VV3682)5.0(匝 匝 53.875V (忽略漏感引起的尖峰) 对于反激式变换器，选择开关管的源极漏极间的耐压大约为 1 陪的 VDS 是 比较安全的，因而取 VDS=100V。 确定额定工作电流 ID： 对于反激式变换器，选择开关管的额定平均电流时，大约取最大输入平均 电流的 1.5 陪，是比较理想的，所以， IIhignD)(min)5.1 1.50.69A=1.035A 根据以上两个参数及本次开关电源的频率 50KHZ，可选用 IRF540（或 MTP10N10M）管子。 4.5 输出整流滤波电路设计 输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容及电感构成。由于开关电源输 出整流二极管在整流过程中有一定的损耗，这些损耗是正向导通损耗和反向恢 复损耗。为减少这些损耗，可在选择整流器件时选择正向压降较低，正向导通 损耗低的整流器件肖特基二极管。同时肖特基二极管的方向恢复时间短，在降 低方向恢复损耗时较其他整流二极管有明显优势。选择肖特基二极管的一般原 则是根据它的最大反向峰值电压。 (1)、输出整流器的选择： （417）NVUiSECinOTRPr)(8.1623)5(max)(in) AIOUTF 注： 次级绕组的的反向峰值电压；VR 输出电压；Uout 输入电压最大值；in(max) 二次绕组匝数；NSEC 一次绕组匝数；iPr 整流管的额定电流。IF(n) 可选用 IN5824(3A)整流管。 (2)输出滤波电容的选择计算 （418）VfICPKripleoutout )(min(min)1A.0532 =280 uF 式中： 输出端的额定电流，单位为 A；Iout 在高输入电压和轻载下所估计的最小占空比（估计值为 0.3 比min 较合适） ； 期望的输出电压纹波峰峰值，单位为 V。电源设计要求VPKriple)( 输出纹波电压为 2%，即 0.1V。 设计电路时，在电感两侧各安装一个电容，根据计算值和输出最大峰值电 压选择两个耐压 50V，容量为 220uF 的电解电容器作为滤波输出。 (3)、输出滤波电感的选择计算 （419）ITVLoutestONin(min)(ax)mi4.13050.67H1 式中： 输出所需最小电感量；Lmin 对应的输出端上整流器后的最高峰值电压；V(ax) 输出电压；out 估计的最大输入电压下，开关管导通时间（1/f OP 的 30%是TesON)( 比较好的估计） ； 输出端上负载最