反激式开关电源设计培训教材-第二节.ppt

1 反激式开关电源设计培训教材第三章 关键元件参数选择2007 10 18 2 第三章 关键元件参数选择一 开关电源主要元器件分类开关电源元器件分无源器件和有源器件 常见的无源电子器件 按照所担当的电路功能分为电路类器件 连接类器件 电路类器件二极管 diode 电阻器 resistor 电容器 capacitor 电感 inductor 变压器 transformer 继电器 relay 开关 switch 保险丝 fuse 3 连接类器件连接器 connector 插座 shoket 连接电缆 line 印刷电路板 PCB 2 常见的有源器件有源器件可以分为分立器件和集成电路两大类 分立器件双极型晶体三极管 BJT 场效应晶体管 Mosfet 可控硅 thyristor 分单向和双向可控硅 绝缘栅双极晶体管 IGBT 绝缘栅晶闸管MCT 在单向可控硅的基础上集成一对场效应管 静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH 集成电阻与电容 4 模拟集成电路器件模拟集成电路器件是用来处理随时间连续变化的模拟电压或电流信号的集成电路器件 基本模拟集成电路器件一般包括 集成运算放大器 operationamplifier 简称集成运放比较器 comparator 对数和指数放大器模拟乘 除法器 multiplier divider 模拟开关电路 analogswitch PLL电路 phaselockloop 即锁相环电路集成稳压器 voltageregulator 参考电源 referencesource 波形发生器 wave formgenerator 功率放大器 poweramplifier 5 数字集成电路器件基本逻辑门 logicgatecircuit 触发器 flip flop 寄存器 register 存储器 storage 译码器 decoder 数据比较器 comparator 驱动器 driver 计数器 counter 与 转换器 模数转换器与数模转换器可编程逻辑器件 PLD 微处理器 microprocessor MPU 单片机 Microcontroller MCU 单片机是事务密集型器件DSP器件 Digitalsignalprocessor DSP DSP是运算密集型的器件 6 S012B系列原理图 7 S024E系列原理图 8 二 输入过流保护元件参数选择1 保险丝的参数选择 主要涉及下列几个方面 标称工作电流 一般要大于正常工作电流的2倍标称工作电压 要大于等于最大额定输入电压 熔断额定容量 分断能力 熔断额定容量是保险丝在额定电压下能够确实熔断的最大许可电流 短路时 保险丝中会通过比正常工作电流大的瞬时过载电流 安规测试要求保险丝无爆裂或断裂 并熔断以消除短路故障 熔断时间 保险丝按熔断时间的长短分为快断型和慢断型 根据标准 当输入电流是保险丝10倍额定电流时 熔断时间超过20毫秒的为慢断 低于20毫秒的为快断 选择慢断主要是为了当电路中有浪涌或冲击电流时 保险丝不会熔断 安规标识 如3C UL VDE等MARK 做不同的安规标准认证时 保险丝要有相应的安规MARK 否则 要做随机测试 将花费很多费用 2 保险丝绕线电阻的参数选择保险电阻具有保护功能的电阻器 选用时应考虑其双重性能 根据电路的具体要求选择其阻值和功率等参数 既要保证它在过负荷时能快速熔断 又要保证它在正常条件下能长期稳定的工作 电阻值太小或功率过大 均不能起到保护作用 但电阻值太大 将增加损耗 保险电阻重要参数主要是过功率熔断时间 阻值和功率等参数 一般保险电阻用在30W以下的电源上 例如一个输出24W的电源 90Vac时的平均输入电流是0 55A 假定用保险丝的效率是80 改用2 2 保险电阻后的效率将降为78 3 对满足能效的要求不利 10 三 防雷击浪涌元件参数选择1 压敏电阻的参数选择压敏电阻是以氧化锌为材料烧结而成的半导体限压型浪涌吸收器件 主要用在产品的电源端口和信号端口的防雷保护 选用压敏电阻时一般选择标称压敏电压 Vima 和通流容量两个参数压敏电压 即击穿电压或阀值电压指在规定电流下的电压值 大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻时测得的电压值 可根据需要正确选用 一般Vima 2Vac Vac是最大输入交流电压的有效值 如最大输入电压是264V则 Vima 2Vac 1 414 264 373V 可选470V 10 规格通流容量 指最大脉冲电流的峰值是在环境温度25c 在时规定的冲击电流波形和冲击次数而言 压敏电阻的变化不超过10 时的最大脉冲电流值 一般07D471K的通流容量可达1200A 1750A 10D471K的通流容量可达2500A 3500A 14D471K的通流容量可达4500A 6000A 圆片直径越大 通流容量越大 根据雷击参数要求合理选择圆片直径规格 如要求雷击6KV 雷击测试仪器内阻2 则浪涌电流达3000A 很明显要选圆片直径14mm规格的压敏电阻 11 2 陶瓷气体放电管陶瓷气体放电管是防雷保护设备中应用最广泛的一种开关器件 无论是交直流电源的防雷还是各种信号电路的防雷 都可以用它来将雷电流泄放入大地 其主要特点是 放电电流大 极间电容小 3pF 绝缘电阻高 109 击穿电压分散性较大 20 反应速度稍慢 最短为0 1 0 2 s 陶瓷气体放电管的主要特性参数有 直流击穿电压Vsdc 在放电管上施加100V s的直流电压时的击穿电压值 脉冲 冲击 击穿电压Vsi 在放电管上施加1kV s的脉冲电压时的击穿电压值 因反应速度较慢 脉冲击穿电压要比直流击穿电压高得多 冲击放电电流Idi 分为8 20 s波 短波 和10 1000 s波 长波 冲击放电电流两种击穿电压和冲击电流的选择和压敏电阻相同 需查规格书来选 12 3 半导体放电管半导体放电管具有精确的导通电压 快速的响应速度 浪涌吸收能力强 电容值低 可双向对称击穿 可靠性高 可控硅结构 性能优越于气体放电管 压敏电阻及TVS二极管 纳秒级反应速度 1ns 广泛应用于通讯设备中等需要防雷保护的领域 13 四 开机输入冲击电流的抑制开机的瞬间产生的浪涌电流抑制主要用元件陶瓷负温度系数热敏电阻 功率电阻 单向可控硅 继电器等元件热敏电阻的参数选择 热敏电阻主要有陶瓷正温度系数热敏电阻 PTC 陶瓷负温度系数热敏电阻 NTC 高分子正温度系数热敏电阻 PPTC 等 在一定的测量功率下 NTC电阻值随温度上升而下降 利用这一特性 NTC热敏电阻可用来做温度补偿 温度检测 抑制浪涌电流元件 功率型低阻值NTC在开关电源中主要用来抑制开机的瞬间产生的浪涌电流 体积小阻值高的NTC在开关电源中主要用来过温保护检测元件和温度补偿元件 选择NTC 主要考虑NTC的零功率电阻值 最大稳态电流 最大稳态电流时近似电阻值 热时间常数 S 零功率电阻值大浪涌电流抑制效果好 但最大稳态电流时的近似电阻值也大 当输入电流有效值比较大时 消耗的功率也多 对效率影响较大 14 NTC的圆片直径越大 能流过的电流也越大 热时间常数也越长 例如 规格直径零功率电阻最大稳态电流稳态电流时电阻热时间常数5D 77mm5 2A0 283 30S5D 99mm5 3A0 210 34S5D 1111mm5 4A0 156 45S3D 1111mm3 5A0 100 43S 15 五 初级整流滤波元件选择1 初级整流管的选择 桥式整流 耐压 大于1 5倍最大输入电压峰值最大电流 大于2倍初级电流有效值初级电流有效值可按下式估算 Vrmsmin是最小输入电压有效值 是效率 PF是功率因数2 平滑滤波电解电容选择耐压 要留至少5 的裕量电容量 对于100 240V输入电压 一般按输出功率的数值的2倍选取 对于230V输入电压 则按输出功率的数值的1倍选取 例如输出15W 输入100 240V时 电解电容选33uF左右 输入230V时 电解电容选15uF左右 电容的选取还要满足如下 输出保持时间10mS115V20mS230V 16 六 次级整流滤波元件选择1 次级整流管的选择耐压 要留至少10 的裕量 即最大重复反向峰值电压VRRM的90 以下Vindcmax Np Ns Vout Vf Vpp 反向电压Vf 反激电压 Vr 漏感尖峰电压 VinDCmin 最大峰值电压 NP 初级匝数 Ns 次级匝数 Vo 输出电压 最大平均电流 要小于规格书中标示的最大平均整流电流I AV 的一半以下 反激电压的选择主要是依据次级整流管和Mosfet的参数2 次级滤波电解电容的选择 选高温 高频低阻抗 高纹波电流的规格品种耐压 要留至少20 的裕量 电容量 按1A电流需要470uF 1000uF来选择 17 七 开关管的选择耐压 要留至少5 的裕量Vf VinDCMax 漏电感尖峰电压 95 VMos最大电流 大于2倍初级峰值电流Id 2Ip温升 75 40 环境 18 八 磁性元件选择电磁元件对软磁材料的选择 根据不同的使用特性 有不同的要求 但是有一个共同点 那就是要求软磁材料损耗低 不管那一种电磁元件选择软磁材料 都把损耗作为一个主要指标 软磁材料的损耗包括涡流损耗 磁滞损耗和剩余损耗 除了与材料的电阻率 宽度和厚度等材料本身的参数有关外 还与磁通在电磁元件中变化速度有关 也就是与工作频率f和工作磁通Bm乘积有关 因此表示软磁材料损耗的参数 单位重量 或体积 的损耗P 都要标明使用的工作频率f和工作磁通密度Bm Bm的单位用mT或GS f的单位用Hz或kHz 变压器是电源中第一个重要的电磁元件 它对软磁材料的损耗特别关注 因此低损耗是软磁材料发展的主要追求 一般开关电源中的变压器的磁芯要选择B值高 i在2000 3000之间 矫顽力Hc小 磁芯损耗小 电阻率高的规格 同时频率高时要选择磁芯损耗更小的规格 如TDK的PC44 天通的TP4A等 从下图的磁滞回线可看出 功率磁芯要工作在 B H接近线性的区域 不能工作在H变化大 而B变化小的区域 否则 容易饱和 因为B变化越小 则越接近饱和磁感应强度Bs值 越易饱和 19 作为开关管驱动变压器的磁芯 要求磁场强度从Hs变到0时 磁感应强度从Bs到Br变化比较小 当磁感应强度从Br变到0时 磁场强度变化比较小 磁滞回线接近矩型 容易磁化 容易饱和 容易消磁 对改善开关管驱动波形有利 作为抑制EMI的磁珠 则要求磁场强度从Hs变到0时 磁感应强度从Bs到Br变化更小 当磁感应强度从Br变到0时 磁场强度变化更小 磁滞回线更接近矩型 对于快速上升的电流 因初始时磁珠存在电感 电流稍微有延迟上升 当磁珠很快饱和后 电感为0 对电流的延迟作用消失 利用磁珠的这种特性 可以很好的降低电流变化率 抑制电流尖峰 从而抑制EMI 作为储能电感和差模噪音滤波器 要求磁路是开环的 即要有气隙 不能工作在饱和状态 否则 将失去储能和滤波作用 如用磁粉芯 内部固有气隙 工字形磁芯等 当然也可用功率磁芯 只是中柱要磨气隙 作为共模滤波器磁芯 要求 i值高 以便获得高的共模电感量 同时希望有一点气隙 则会有漏感存在 即差模电感分量会大一些 对差模噪音抑制效果明显 通常 用UU型磁芯会比用相同的 i值的磁环的EMI抑制效果好 用磁环的优点是温升易处理 规格多 易于选择 布局灵活一些 20 主要软磁材料1 硅钢硅钢是电源使用最早的软磁材料 它稳定性好 环境适应性强 磁通密度高 成本低 适用于大规模生产 而且批量之间性能差异小 是在工频和中频范围内使用量最大的软磁材料 现在的硅钢 性能已有很大的改善 其使用范围已经扩展到20kHz以上 最高可达200kHz 300kHz 2 软磁铁氧体软磁铁氧体 由于具有电阻率高 批量生产容易 可制成各种形状铁心而且性能稳定 成本低等特点 现已成为在中 高频电磁元件中大量使用的软磁材料 软磁铁氧体和其他软磁材料一样 它的损耗包括磁滞损耗 涡流损耗和剩余损耗三部分 磁滞损耗和涡流损耗与工作磁通密度Bm和工作频率f的乘积有关 当f上升时 要保持损耗不迅速增加 Bm要相应下降 涡流损耗与电阻率 成反比 但是 也随工作频率f变化 在低于一定极限工作频率时 比较高 f超过极限工作频率 急剧下降 21 软磁铁氧体的性能与温度有关 因此在给出它的性能参数时一定要标明温度值 例如有一种锰锌铁氧体的饱和磁通密度Bs 在100 时只有25 时的70 3 高导磁合金 坡莫合金 100000 500000GS 高导磁合金是指初始导磁率和最大导磁率高的铁镍合金等 商品名称大多数被叫做 坡莫合金 除了高导磁率外 坡莫合金损耗比较低 特别是环境适应性比较好 性能稳定 虽然价格贵 但是仍然使用在要求较高的电源中 坡莫合金主要种类是铁镍合金 根据电源的需要 已经制定出各种各样的坡莫合金带材 有磁滞回线为矩形的 非矩形的 线性的 恒导磁 材料 可以轧制成0 20mm至0 005mm 5 m 厚度的各种规格 一般0 20mm厚的坡莫合金用于50Hz 0 005mm厚的坡莫合金用于500kHz 1MHz 涵盖了工频 中频至高频整个频率范围 22 4 非晶和微晶合金现在非晶合金软磁材料有三种基本类型 1 铁基非晶合金 主要成分为铁硅硼 饱和磁通密度高 工频和中频下损耗小 价格便宜 用于工频和中频电源领域 2 钴基非晶合金 主要成分为钴铁硅硼 磁导率高 中 高频损耗低 价格贵 主要用于中 高频领域 3 铁镍基非晶合金 初始导磁率高 低频下损耗低 可用于电源中的检测电磁元件和漏电开关用互感器 5 铁粉心材料铁粉心材料多年来被广泛用于射频 RF 领域中 现在它作为恒磁通功率磁元件大量地应用在电力电子电路中 它内部固有的分布气隙使它非常适于做各种储存能量的电感 在需要气隙的情况下 它还可以取代铁氧体和铁合金叠片的应用 作为输出滤波电感 功率因数校正电感 EMI RFI应用的电感铁心 初始相对磁导率 i在10 100范围内 饱和磁通密度在 0 5 1 4 T之间 矫顽力Hc一般也不大 在 3 5 10 Oe左右 23 九 箝位吸收电路 缓冲器电路 参数的选择箝位吸收电路有RCD LCD 有源箝位吸收等电路形式 1 RCD箝位电路参数对反激变换器的性能有重要的影响 R C取值要合适 选取不同R C值时 箝位电容电压波形不一样 当C值大 R值小 或者C值小 R值大 此时RCD箝位电路都将成为反激变换器的死