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1 开关电源的简易设计开关电源的简易设计 2 第一部分器件的选择第一部分器件的选择 一、开关电源元器件选型保险丝一、开关电源元器件选型保险丝 第一个安规元件保险管第一个安规元件保险管 1 作用：安全防护。在电源出现异常时，为了保护核心器件不受到损 坏。 2 技术参数：额定电压 v、额定电流 i、熔断时间 i2rt。 3 分类：快断、慢断常规 1、0.6 为不带功率因数校正的功率因数估值 2、po 输出功率 3、效率（设计的评估值） 4、vinmin 最小的输入电压 5、2 为经验值，在实际应用中，保险管的取 值范围是理论值的 1.53 倍。 6、0.98 pf 值 3 二、开关电源元器件选型热敏电阻二、开关电源元器件选型热敏电阻 ntc 的作用 ntc 是以氧化锰等为主要原料制造的精细半导体电子陶瓷元件。电阻值 随温度的变化呈现非线性变化，电阻值随温度升高而降低。利用这一特性， 在电路的输入端串联一个负温度系数热敏电阻增加线路的阻抗，这样就可以 有效的抑制开机时产生的浪涌电压形成的浪涌电流。当电路进入稳态工作时， 由于线路中持续工作电流引起的 ntc 发热，使得电阻器的电阻值变得很小， 对线路造成的影响可以完全忽略。 ntc 的选择公式对上面的公式解释如下： 1. rt 是热敏电阻在 t1 温度下的阻值； 2. rn 是热敏电阻在 tn 常温下的标称阻值； 3. b 是材质参数；(常用范围 2000k6000k) 4. exp 是以自然数 e 为底的指数（ e =2.71828:0 ） ； 5. 这里 t1 和 tn 指的是 k 度即开尔文温度，k 度=273.15(绝对温度)+摄 氏度 4 三、开关电源元器件选型压敏电阻三、开关电源元器件选型压敏电阻 压敏电阻的作用 1、压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过 电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的 电压值，从而实现对后级电路的保护。 2、主要作用：过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、 高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等。 3、主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。 4、压敏电阻的响应时间为 ns 级，比空气放电管快，比 tvs 管（瞬间抑 制二极管）稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可 以满足要求。 选取压敏电阻的方法选取压敏电阻的方法 压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持续 电流，在用作过压保护时必须考虑到这一点。压敏电阻的选用，一般选择标 称压敏电压 v1ma 和通流容量两个参数。 1、a为电路电压波动系数，一般取值 1.2. 2、vrms 为交流输入电压有效值。 3、b为压敏电阻误差，一般取值 0.85. 4、c为元件的老化系数，一般取值 0.9. 5、2 为交流状态下要考虑峰峰值。 6、v1ma 为压敏电阻电压实际取值近似值 7、通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为 25情况下，对于规 定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过 10时的最大脉冲电流值。 5 选取压敏电阻的方法选取压敏电阻的方法 结合前面所述，来看一下本电路中压敏电阻的型号所对应的相关参数。 四、开关电源元器件选型四、开关电源元器件选型emi 电路电路 emi 电路根据 iec 60384:0-14,安规电容器分为 x 电容及 y 电容: x 电容是指跨与 l-n 之间的电容器, y 电容是指跨与 l-g/n-g 之间的电容器. 安规电容之安规电容之-x 电容电容 1、x 电容多选用耐纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容。这种类型的电容, 体积较大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。 2、x 电容容值选取是 uf 级，此时必须在 x 电容的两端并联一个安全电 阻,用于防止电源线拔插时,由于该电容的充放电过程而致电源线插头长时间 带电。 安全标准规定,当正在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电 源线插头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来额定工作电压的 30%。 3、作为安全电容之一的 x 电容,也要求必须取得安全检测机构的认证。x 电容一般都标有安全认证标志和耐压 ac250v 或 ac275v 字样,但其真正的直 6 流耐压高达 2000v 以上,使用的时候不要随意使用标称耐压 ac250v 或者 dc400v 之类的的普通电容来代用。 4、x 电容主要用来抑制差模干扰 5、安全等级峰值脉冲电压等级（iec664） 6、x12.5kv 4.0kv 7、x22.5kv 8、x31.2kv 9、x 电容没有具体的计算公式，前期选择都是依据经验值，后期在实际 测试中，根据测试结果做适当的调整。 10、经验：若电路采用两级 emi，则前级选择 0.47uf,后级采用 0.1uf 电 容。若为单级 emi，则选择 0.47uf 电容。 （电容的容量大小跟电源功率没有直 接关系） 安规电容之安规电容之-y 电容电容 1、交流电源输入分为 3 个端子：火线（l）/零线（n）/地线（g） 。在火 线和地线之间以及在零线和地线之间并接的电容, 这两个 y 电容连接的位置 比较关键,必须需要符合相关安全标准, 以防引起电子设备漏电或机壳带电,容 易危及人身安全及生命。它们都属于安全电容,从而要求电容值不能偏大,而耐 压必须较高。 2、y 电容主要用于抑制共模干扰 3、y 电容的存在使得开关电源有一项漏电流的电性指标。工作在亚热带 的机器,要求对地漏电电流不能超过 0.7ma;工作在温带机器,要求对地漏电电 流不能超过 0.35ma。因此,y 电容的总容量一般都不能超过 4700pf（472） 。 y 电容的作用及取值经验电容的作用及取值经验 y 电容底下又分为 y1, y2, y3，y4, 主要差別在于: 1. y1 耐高压大于 8 kv,属于双重绝缘或加强绝缘|额定电压范围 250v 2. y2 耐高压大于 5 kv,属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围150v 250v 3. y3 耐高压 2.5kv 5kv 属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围 150v 250v 4. y4 耐高压大于 2.5 kv 属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围 np2| np2 otherwise 匝比的计算 n=dmax/(1-dmax)/vout+vf 次级线圈的计算 ns=np/n 辅助绕组线圈的计算 nfb=(vf+vfb/vout+vf)*ns 反推验证 dmax dmax=n*(vout+vf)/2*vinmin+n*(vout+vf) 气隙的计算 lg=4*3.14*10-7*np2*ae/lp 关于反激变压器的气隙关于反激变压器的气隙 为什么要开气隙？ 反激变换器中，变压器起着电感和变压器的双重作用，因而变压器磁芯处 于直流偏磁状态，为防磁饱和因此要加入气隙。 防止磁芯饱和不仅只有开气隙一种方法，另外一种是增加磁心的体积；不 过通常设计时空间已经限制了磁芯的大小，所以实际设计中开气隙的方法应 用的比较多； 这两种方法都可以使磁心的磁滞回线变得“扁平” ，这样对于相同的直流 偏压，就降低了工作磁通的密度。 变压器的线径选择 变压器的线径计算是有规定的，特别是反激式电源变压器更应该注意？ 自然冷却时 j=1.54a/mm2，强迫冷风时 35a/mm2。 在不同的频率下选取 d 也是不同的，在 200khz 以下时，一般为 45a/mm2，在 200khz 以上时，一般为 23a/mm2。 变压器的绕制方法 为了减少漏感，目前最好的、工艺最简单的绕制方法是初次级交错绕法 也就是大家常说的三明治绕法。 15 九、开关电源元器件选型输出整流管九、开关电源元器件选型输出整流管 电动自行车电源电路原理图 次级侧电路原理图 16 次级整流二极管的选型 为了降低输出整流损耗，次级整流二极管一般选用肖特基二极管，肖特 基二极管有较低的正向导通压降 vf，能通过较大的电流。 输出整流二极管的耐压值 vout 为输出电压 np 为变压器原变圈数 ns 为变压器副边圈数 vdcmax 为输入最大直流（最大交流的峰值） 120%为给二极管留的尖峰余量 二极管的峰值电流值 ipp 为原边的峰值电流（计算变压器时计算） 次级整流二极管的有效值电流值（此处为工作在 dcm 模式） dmax 为最大占空比 17 次级整流管的热设计 二极管的热损耗包括正向导通损耗、反向漏电流损耗及恢复损耗。因为 选用的是肖特基二极管，反向恢复时间短和漏电流比较小，可忽略不记。 二极管的pn结对环境的热阻可以通过datasheet查得rthjc=1.2c/w tj=rthjc*vf*id_rms+ta ta 为工作的环境温度 tj 为二极管工作温度理论值 vf 表示二极管的正向导通压降 id_rms 表示通过二极管的有效值电流 10、开关电源元器件选型、开关电源元器件选型rc 吸收回路吸收回路 吸收回路选型 吸收的本质 ，什么是吸收？在拓扑电路的原型上是没有吸收回路的，实 际电路中都有吸收，由此可以看出吸收是工程上的需要，不是拓扑需要。 吸收一般都是和电感有关，这个电感不是指拓扑中的感性元件，而是指 诸如变压器漏感、布线杂散电感。 吸收是针对电压尖峰而言，电压尖峰从何而来？电压尖峰的本质是什 么？ 电压尖峰的本质是一个对结电容的 dv/dt 充放电过程，而 dv/dt 是由电感 电流的瞬变（di/dt）引起的，所以，降低 di/dt 或者 dv/dt 的任何措施都可以降 低电压尖峰，这就是吸收。 吸收的作用？ 1、降低尖峰电压 2、缓冲尖峰电流 3、降低 di/dt 和 dv/dt，即改善 emi 品质 4、减低开关损耗，即实现某种程度的软开关。 5、提高效率。提高效率是相对而言的，若取值不合理不但不能提高效率， 弄不好还可能降低效率。 rc 吸收的特点 1、双向吸收。一个典型的被吸收电压波形中包括上升沿、上升沿过冲、 下降沿这三部分，rc 吸收回路在这三各过程中都会产生吸收功率。通常情况 下我们只希望对上升沿过冲实施吸收。因此这意味着 rc 吸收效率不高。 2、不能完全吸收。这并不是说 rc 吸收不能完全吸收掉上升沿过冲，只 是说这样做付出的代价太大。因此 rc 吸收最好给定一个合适的吸收指标，不 要指望它能够把尖峰完全吸收掉。 3、rc 吸收是能量的单向转移，就地将吸收的能量转变为热能。尽管如 此，这并不能说损耗增加了，在很多情况下，吸收电阻的发热增加了，与电 18 路中另外某个器件的发热减少是相对应的，总效率不一定下降。设计得当的 rc 吸收，在降低电压尖峰的同时也有可能提高效率。 吸收的误区 1、buck 续流二极管反压尖峰超标，就拼命的在二极管两端加 rc 吸收。 这个方法却是错误的。为什么？因为这个反压尖峰并不是二极管引起的，尽 管表现是在这里。这时只要加强 mos 管的吸收或者采取其他适当的措施，这 个尖峰就会消失或者削弱。 2、副边二极管反压尖峰超标，就在这个二极管上拼命吸收。 这种方法也是错误的，原因很清楚，副边二极管反压尖峰超标都是漏感 惹的祸，正确的方法是处理漏感能量。 3、反激 mos 反压超标，就在 mos 上拼命吸收。 这种方法也是错误的。如果是漏感尖峰，或许吸收能够解决问题。如果 是反射电压引起的，吸收不但不能能够解决问题的，效率还会低得一塌糊涂， 因为你改变了拓扑。 吸收的计算 书上网络上都有关于吸收回路的计算方法的介绍,但由于寄生参数的影响, 这些公式几乎没有实际意义,实际上大部分的 rc 参数是靠实验来调整的,但 rc 的组合理论上有无穷多,怎么来初选这个值是很关键的,下面来介绍一些实 用的理论和方法 。 1、先不加 rc,用容抗比较低的电压探头测出原始的震荡频率.此震荡是有 lc 形成的,l 主要是变压器次级漏感和布线的电感和输出电容, c 主要是二极 管结电容和变压器次级的杂散电容。 2、测出原始震荡频率后, 可以试着在二极管上面加电容,直到震荡频率变 为原来的 1/2.则原来震荡的 c 值为所加电容的 1/3,知道了 c 就可以算 r 值了, r=2fl=1/(2fc)。把 r 加到所加 c 上,震荡就可以大大衰减。这时再适当调 整 c 值的大小,直到震荡基本被抑制。 吸收电路测试经验总结： 一、吸收电容 c 的影响 1、并非吸收越多损耗越大，适当的吸收有一个效率最高点。 2、吸收电容 c 的大小与吸收功率（r 的损耗）呈正比关系。即：吸收 功率基本上由吸收电容决定。 二、吸收电阻 r 的影响 1、吸收电阻的阻值对吸收效果干系重大，影响明显。 2、吸收电阻的阻值对吸收功率影响不大，即：吸收功率主要由吸收电 容决定。 3、当吸收电容确定后，一个适中的吸收电阻才能达到最好的吸收效果。 4、当吸收电容确定后，最好的吸收效果发生在发生最大吸收功率处。 换言之，哪个电阻发热最厉害就最合适。 5、当吸收电容确定后，吸收程度对效率的影响可以忽略。 软件仿真不同阻值时的波形曲线图 19 十一、开关电源元器件选型输出电容十一、开关电源元器件选型输出电容 1 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，变压器的初次级 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 20 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：根据电 荷相等，可以得到： （1）可以得到整流二极管电流的峰值： （2）流过输出整流器的有效值电流与峰值电流的关系： （3）流过整流器的有效值电流与平均值电流的关系： （4）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（2） 、 （3） 、 （4）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）有效值电流与输出电流平均值的关系为： 21 第二部分 设计实例与分析第二部分 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：85vac264vac 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/1000f 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/1000f 低 esr 铝电解电容器的 esr 约为 0.09。7 只并联对应的 esr 为 129m、5 只并联为 180m、4 只并联 为 225m。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 30100h，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 3301000 f/25v。 开关电源元器件选型反馈开关电源元器件选型反馈/保护部分保护部分 次级原理图 22 反馈分压回路反馈分压回路 反馈回路采用最常用的 tl431 加光耦电路。 外围元件由 zd2、r6、r15、r17、r10、r16 组成。 zd2 为 43v 稳压管，因电流很小，工作在反向导通区。 选 43v 是因为 tl431 最大的可调节电压是 36v， 为了能使用这个精密可 调器件，我们必须把电压降低到 tl431 可正常工作的范围内。 r6 为保证 tl431 死区电流的大小， 输出电压大于 7.5v 时 tl431 死区电 流可以通过光耦发光二极管的导通提供，因此可以不加，低于 7.5v 时， r6=vout-(vref-vb)/1ma vout 表示输出电压；vref 表示基准电压 2.5v；vb 表示管压降 0.7v。 tl431 中的总偏置就接近 5ma， 而经验显示这 5ma 的电流可实现足够 的性能，而不会牺牲待机能耗。r15=vout/5ma. 减小光耦led串联电阻 r15并不会改变tl431 的电流， 因为 tl431 的 电流由初级端反馈电流 ic 施加，通过光耦合器电流传输比(ctr)反射在 led 中。改变 r15 值会影响中带增益，而非 tl431 偏置，因为系统采用闭 环形式工作。 r17、 r10、r16 组成的分压器在输出电压达到目的值时。r10 与 r17 的节点电压刚好等于 431 内部参考电压。 反馈补偿回路 c8、c4、r19 组成了 431 所需的回收回路补偿，以便稳定控制回路。 23 稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的，如果没有足够的相位裕 度和幅值裕度，电源的动态性能就会很差或者出现输出振荡。 tl431 是开关电源次级反馈最常用的基准和误差放大器件， 其供电方式 不同对它的传递函数有很大的影响，很多分析资料常常忽略这一点 输出过压保护电路的过压保护分两级 1、反馈回路的保护，当电压超出设定电压值反馈回路会将信息反馈到 pwm 控制 ic，来调节占空比限制输出电压。 2、若反馈回路失效，输出末端加稳压二