开关电源的设计计算.doc

Flyback Modify Report yanyangjun Modify 要求 (1).INPUT 90264Vac Duty=0.5OUTPUT 12Vdc 1A f操=50KHZOVP 14.617VOLP 3A4A一. 變壓器設計常用公式的導出(1).e=N(d/dt)=L(di/dt)I=HL/NB=/Ae =Ag*Be=L(di/dt)edt=LdiJ=e*I*dt=L*I*dtJ=(1/2)L*I2EI=NAg(dB/dt)*H(lg/N)(1/2)LI2=(1/2)AgBHlgHLg=NI(2).(1/2)LI2=(1/2)AgBNILI=NI=Hlg/N2L*(H2L2/N2)=(AeLe/)*(H)2L=N2*0r*(Ae/Le)=ALN2J=(1/2)LI2=(1/2)L*(Hlg/N)2J =AelgHdB=Aelg(B/)dB=(Aelg/2)B2(1/2)L(Hlg/N)2=(Aelg/2)B2(Hlg/N)2L=(Aelg/)B2L=N2Ae/lgIPKLg=0N2Ae/L二. flyback 的IPK的確立 (1) Iavg*(1-D)=(IP2-Iavg)D Iavg=IP2*Duty1-DIavgIP2IP1(2) 不連續模式(完全傳遞能量) 連續模式(不完全傳遞能量)(3)IPK的設計IPK Ib=IAG/DutyIb IR=2(IPK-Ib) 假設:IPK=3IaIa Ia+2(IPK-Ib)=IPKIAVG Ia=(1/3)IPK IPK=3Ib PIN=Pout/ Ib=IAVG/DutyIAVG=PIN/VIN(4).flyback Vo/Vp=1/(1-D)*(NS/NP) flyback Vo/Vp=(1/D)*(NS/NP)(5).實際參數的計算A.原變壓器:初級圈數為108T 反饋繞阻為9T 次級為18TNS=【(Vo+Vd)(1-Dmax)NP】/【Vs(min)Dmax】NS=【(12+1)(1-Dmax)108】/【(127-20)*0.5】=12T (取13T)N反饋繞阻,由於該電路用UC384X作為PWM調制,取反饋電壓為數(14V15V)N反=【15*(1-0.5)*108】/【(127-20)*0.5】N反=13.8TB.橋式整流器的設計:進行BD1的設計時注意三點:a.最大順向電流容許值IF,此值應為計算出來的穩態電流二倍,若己知效率則為:PIN(max)=Pout/=12W/0.75=76WIin(max)=PIN(max)/Vin(min)=16W/90=0.17即選擇為:IF=0.17*2=0.34Ab.峰值遞向電壓.由於輸入部分整流器都是工作在較高電壓狀態一般選取600V以上.c.考虙突波電流容許值,在開機的一瞬防止過大的電流而損壞橋式整流器.C.電晶體的選擇1.VCE反向電壓:Flyback在工作時其在off時VDC兩端的電壓為次級繞阻折合過來的電壓,NVS與一次側漏感及Bulk電容之電壓總和 2.IPK的選擇在設計變壓器的公式中有推導出3.一般在選擇時應注意:a. 一般常用P溝道增強型MOSFETb. RDS(ON)阻值應盡可能較小c. tr ton tf 上升 開啟 下降時應盡可能快d. trr反向恢復時間應較快e. ciss輸入詰電容應盡可能小 防止其所諸存電荐電苛較多影響開啟與關閉時間D.OVP電路的設計a. 選擇其穩壓管的穩壓值及IZ電流b. 選擇其可控硅(SCR)c. 計算SCR的觸發電流d. 設計要求為:1. 穩壓為14.616V2. IGK為20mAR=14V/20mA=700四.回授部分電路剖析(1)認識高低通電路:由此圖導出傳遞系數; XC=1/jwc f=1/2 LC XL=jwlAV=Vo/Vi=（1/jwc）/【R+（1/jwc）】=1/（1+jwRc）W稱為倍號的角頻率 W=2f復數的定義: a1|A|a2 A=a1+ja2 A=|A|cos+j|A|sin|A|= a12+ a22 =|A|(cos+sin)=arctg(a2/a1) A=|A|fH=1/2RCAV=1/【1+j(f/fH)】|AVH|=1/ 1+(f/fh)2H=-artg(f/fh)(2).高通電路 AV=R/【R+（1/jwc）】 AVL=1/【1-j（fl/f）】R2疊加定理運用R1 同相比例 AV=1+(Rf/R1)V2V1- 反相比例 AV=-(Rf/R1)VP+R41.首先令V2=0 那麼圖上 V0= -(Rf/R1)V12.然後令V1=0則就成為一個同相比例放大器Vp=【R4/(R3+R4)】V2V0”=【1+(R2/R1)】Vp=【1+（R2/R1）】【R4/(R3+R4)】V2也即:V0=V0+V0”=-(R2/R1)+【1+（R2/R1）】【R4/(R3+R4)】V2(4).低通濾波器CV0Rf=RR1VI0R根據圖列出其傳遞函數A(S)=V0(s)/VS(s)= -【(Zf(s)/Zi(s)= -【R(1/SC)】/【R+(1/SC)】/R1 =1/(1+SCR)（-R/R1）=【1/(1+SCR)】Aup式中Aup=-(Rf/R1) 可以看出具通常電壓放大倍數隨電路而變,若用復數頻率jw=S 同時令Wn=1/Rc=2fnA=V0/VS=1/【1+j(f/fn)】Aup其fn稱為指征頻率, 其由RC所決定,由幅頻特性可知,當 f=fn時, 則 |Au|=1/ 2 Aup 故該電路的截止頻率為fc=fn=1/2RC對數幅頻特性曲線根據(1)式可得幅頻特性為2olgAu/Aup=2olg【1/ 1+(f/fn)2 】由上式可作幅頻特性如圖:當f=fn時其為轉折頻率. 當ffn時為轉折頻率當ffn時,特性曲線按-20DB/+倍頻斜率衰減, 因此對頻率大於fn的信號或高頻信號能有效被抑制2olgAu/Aup(dB)-3-301010210.1-10-20(5).頻率補償電路V0GVCKDV0TVGEA Vref=R2/(R1+R2)*Vout (a)回路的電壓增益TV(S)=KDGVC(S)GEA(S) R1R22.5Vrefreffc=1/2RC Av=【R+1/jwc】/【R1R2/（R1+R2）】=【（1+jwcR）/jwc】/【R1R2/（R1+R2）】 =【（1+jwcR）/jwc】*【R1+R2/（R1R2）】VoutoutrefR1R2VO Ar=【R+1/jwc】/jwc2/【R1R2/（R1+R2）】=【（1+jwcR）/jwc】/jwc2/【R1R2/（R1+R2）】 (b)|GEA|fzt|GVD|-1tfpPM=900|TV|-1t120Hzfcv for a圖 頻帶寬 高增益 a低頻率 頻帶寬 高增益 a低頻率|GEA|fzfP-1-1|Gvd|-1fpPM=900|TV|-1120HZfcv-2tttPM=900 for b 圖Inrush Current線路分析一.Inrush Current產生之原因分析電源供應器在開機之瞬間,由于濾波電容之充電,交流回路上呈現非常低之阻抗,其大小約等于濾波電容器之ESR值,這樣在開機瞬間將會有很大之突波電流產生.此突波電流有時甚至超過上百安培,具有很大之危害性.二.Inrush Current之危害分析由於開機瞬間Inrush Current高達數十安,甚至數百安,因此它的危害性是不言而喻.首先,如果它的能量超過保險絲的額定工作能量I2t,則會使得保險絲熔斷,而使電源無法工作,其次,由於它有很高的電流峰值,可能使整流橋,開關電晶體,clamper線路上的半導體等元件燒毀.最後,它還可能造成很大的雜訊干擾而影響使用共同電源的其它電子設備.三.Inrush Current之抑制技術由於Inrush Current之種種危害性.因此必須對其進行抑制.以達到安全值乃為勢在必行.一般目前常用的方法有以下三种:a.在輸入線上串入Thermistor.b.在輸入線上加入由電阻一閘流体(SCR或TRIAC組成的保護裝置).c.使用繼電器RELAY. 由於第三种方法中加入繼電器后成本很高且線路復雜,雖然它有低消損,高效率之優點.但目前我們公司普通的開關電源中基本沒有使用此种方法.因此,下面著重就前面兩种方法作詳細的探討說明.1. 使用Thermistor來抑制Inrush Current之技術(見圖7)Thermistor 通常稱之為熱敏電阻,又稱NTC電阻,由於它具有負溫度特性.即當電阻上的溫度升高時它的阻值會降低,利用這種特性來抑制突波電流,在要求不是很高的情況是一种挺實用之方法.(1)其工作原理如下:把Thermistor串入交流線源或橋式整流器的直流江流排上. 當電源供應器開机瞬間,由於Buck-CAP充電,輸入線上之阻抗約為電容之ESR與Thermistor之阻抗和.即(ESR+RRT,這樣,就不會因阻抗過低而產生很大的突波電流.隨著電阻溫度之升高.其阻值迅速下降至最低水平.這樣,當Buck-CAP充滿電荷之后,不會因熱敏電阻的存在而產生太大的消耗,因此對電源之效率起到一定的保証作用.但不論熱敏電阻在正常工作時電阻再小,還是有阻抗存在.因此,在一定意義上它還是影響著電源效率之提高.(2)熱敏電阻之選擇與設計.Rs= 熱敏電阻常溫時的阻抗由下式決定: Vdc(max) Is其中Rs為熱敏電阻常溫時的最小阻值. Vdc(max)為輸入最大直流電壓.Is為客戶SPEC上規定的Inrush Current之最大值.我們在選擇熱敏電阻時,希望它在溫度升高后阻值越低越好.以減少消耗,同時注意其電流額定值要大于或等于最大輸入電流值Iin(max)附:對圖7 Inrush Current 線路之計算.假設客戶SPEC要求在High Range 輸入時, Inrush Current 不得超過40A.效率=70%,PF=0.8,則Rs(25oC)=9= Vdc(max) 2 2642 Is 40Is(25oC)=1.08A= Po 60 PFVin(min) 900.70.8 注意:我們在以上計算Thermistor之阻值時,未考慮電容之ESR及整流橋等元件之阻抗,因此實際選用時其阻值可以比計算值略小,但其額定電流值須大于1.08A,一般為Is的2-5倍左右.2. 使用TRIAC -RESISTOR(OR SCR)來抑制Inrush Current之技術(1) TRIAC之介紹 TRIAC稱為閘控開關,或稱為閘流體,它有三個极,見圖,分別為MT1,MT2和Gate.它是雙向阻擋閘流體,當G极臅發導通后, 若MT1.MT2极之間加偏壓,則有電流 在其中流通,注意它是雙向導通的.(AC.DC 均適用)要使TRIAC工作,必須先Trigger G极, 一般來說,使G极工作的觸發方法有以几種: (TRIAC電路圖) a. DC trigger. b. Pulse triggerc. Anode trigger目前常見的Trigger方式為a-b兩种,當gate极被触發導通之后,可去掉触發信號而TRIAC依然可以工作,只需在G极加上反向電壓就可使其OFF. *TRIAC之作用:當作一個可控開關,廣泛應用於各种電子線路中,圖8中TRIAC之作用就同此例. *SCR之特性與優點:a.具有自己保持作用,一經触發后可自動正常工作.b.利用一個小信號即可對高電壓及大電流進行控制.c.對突波電壓,突波電流之抵抗力強,可用於惡劣之條件.d.交流控制為其獨特之能力.注意:由於TRIAC在dv/dt(off電壓上升率)時會造成不良動作,以及di/dt(ON電流上升率)時會被破壞,因此在設計電路時須特別注意.另TRIAC與SCR之不同在於TRIAC為雙向閘流体.不論正負脈沖均可導通且TRIAC中電流可雙向流通.在應用上其散熱方面須特別小心,此乃因當TRIAC ON后,所有IIN都會流經其上.TRIAC之Gate Triggen Mode一般來說,TRIAC有四种触發模式,見下圖,不過第四种模式由於其安全性沒有保證,在設計時一般很少使用此方式. A B C D(2)使用電阻-SCR(TRIAC)來抑制Inrush Current之原理分析,一般此种線路的設計思路為,在交流線源或直流江流排上串上一個電阻,此電阻之計算方法與使用熱敏電阻時的計算方法相同,然後在電阻兩端並上TRIAC 或SCR,同時加入触發電路此線路之工作原理為:開机之后,Buck-CAP通過阻流電阻R2進行充電,此時,輸入線上阻抗約為R2與ESR之和(不考慮其它元件之阻抗),因此可把Inrush Current限制在SPEC規定之範圍內,由於Soft Start及Delay線路之延時作用.當Buck-CAP完全充滿電之后,converter線路開始動作.變壓器T2之1,3繞組間產生感電動勢對C5充電,此C5亦作SOFT START之作用.隨C5之充電完成.即給Q1提供触發信號使之完全ON.Q1 ON后即把R2短路.由於TRIAC消耗极小,因此在一定意義上比使用Thermistor會有更高之效率.四.几種抑制Inrush Current之技術的比較與分析(1)使用Thermistor之線路使用此种線路之優點為成本低,線路設計簡