反激开关电源设计解析(上).ppt

研发中心彭磊 反激式开关电源设计解析 上 开关电源的拓扑结构分类 10W以内常用RCC 自激振荡 拓扑方式10W 100W以内常用反激式拓扑 75W以上电源有PF值要求 100W 300W正激 双管反激 准谐振300W 500W准谐振 双管正激 半桥等500W 2000W双管正激 半桥 全桥2000W以上全桥 反激开关电源特点 在开关电源市场中 400W以下的电源大约占了市场的70 80 而其中反激式电源又占大部分 几乎常见的消费类产品全是反激式电源 优点 成本低 外围元件少 低耗能 适用于宽电压范围输入 可多组输出 缺点 输出纹波比较大 输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器可以改善 今天以自行车充电器为例 详细讲解反激开关电源的设计流程及元器件的选择方法 隔离开关电源框架结构图 EMI 整流滤波 变压器 次级整流滤波 开关器件 PWM控制IC 隔离器件 采样反馈 输出 高压区域 低压区域 电源电路原理图 初级侧部分 第一个安规元件 保险管 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 技术参数 额定电压V 额定电流I 熔断时间I 2RT 分类 快断 慢断 常规 保险管的计算方法 0 6为不带功率因数校正的功率因数估值Po输出功率 效率 设计的评估值 Vinmin最小的输入电压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 5 3倍 0 98PF值 关于功率因数 大部分用电设备中 其工作电压直接取自交流电网 所以电网中会有许多家用电器 工业电子设备等等非线性负载 这些用电器在使用过程中会使电网产生谐波电压和电流 没有采取功率因数校正技术的AC DC整流电路 输入电流波形呈尖脉冲状 交流网侧功率因数只有0 5 0 7 电流的总谐波畸变 THD 很大 可超过100 采用功率因数校正技术 功率因数值为0 999时 THD约为3 为了防止电网的谐波污染 或限制电子设备向电网发射谐波电流 国际上已经制定了许多电磁兼容标准 有IEEE519 IEC1000 3 2等 功率因数的校正 PFC 主要有两种方法 无源功率因数校正和有源功率因数校正 无源功率因数校正利用线性电感器和电容器组成滤波器来提高功率因数 降低谐波分量 这种方法简单 经济 在小功率中可以取得好的效果 但是 在较大功率的供电电源中 大量的能量必须被这种滤波器储存和管理 因此需要大电感器和电容器 这样体积和重量就比较大也不太经济 而且功率因数的提高和谐波的抑制也不能达到理想的效果 有源功率因数校正是使用所谓的有源电流控制功率因数的校正方法 可以迫使输入电流跟随供电的正弦电压变化 这种功率因数校正有体积小 重量轻 功率因数可接近1等优点 相关知识 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2000K 6000K 4 exp是以自然数e为底的指数 e 2 71828 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 压敏电阻的作用 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 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 主要参数有 压敏电压 通流容量 结电容 响应时间等 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 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 a为电路电压波动系数 一般取值1 2 Vrms为交流输入电压有效值 b为压敏电阻误差 一般取值0 85 C为元件的老化系数 一般取值0 9 2为交流状态下要考虑峰峰值 V1mA为压敏电阻电压实际取值近似值通流容量 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 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 EMI电路 X电容 共模电感 也叫共模扼流圈 Y电容根据IEC60384 14 安规电容器分为X电容及Y电容 1 X电容是指跨与L N之间的电容器 2 Y电容是指跨与L G N G之间的电容器 安规电容之 X电容 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 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 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 安规电容之 X电容 X电容主要用来抑制差模干扰安全等级峰值脉冲电压等级 IEC664 X1 2 5kV 4 0kV X2 2 5kV X3 1 2kV 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 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 Y电容 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 Y电容主要用于抑制共模干扰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 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8kV 属于双重绝缘或加强绝缘 额定电压范围 250V2 Y2耐高压大于5kV 属于基本绝缘或附加绝缘 额定电压范围 150V 250V3 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 250V4 Y4耐高压大于2 5kV属于基本绝缘或附加绝缘 额定电压范围 150VGJB151中规定Y电容的容量应不大于0 1uF Y电容除符合相应的电网电压耐压外 还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量 避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象 Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义 共模电感的作用 共模电感上 A和B就是共模电感线圈 这两个线圈绕在同一铁芯上 匝数和相位都相同 绕制方向向反 这样 当电路中的正常电流流经共模电感时 电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消 此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响 和少量因漏感造成的阻尼 当有共模电流流经线圈时 由于共模电流的同向性 会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗 使线圈表现为高阻抗 产生较强的阻尼效果 以此衰减共模电流 抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射 达到滤波的目的 共模电感的设计 第一步 确定客户的规格要求 EMI允许级别第二步 电感值的确定第三步 core 磁芯 材质及规格确定第四步 绕组匝数及线径的确定第五步 打样第六步 测试 共模电感的设计 EMI等級 FccClassB已知条件 C2 C7 3300pFEMI测试频率 传导150KHz 30MHz EMC测试频率 30MHz 3GHz 实际的滤波器无法达到理想滤波器那样陡峭的阻抗曲线 通常可将截止频率设定在50KHz左右 在此 假设Fo 50KHz 则 共模磁芯的选择 以上 得出的是理论要求的电感值 若想获得更低的截止频率 则可进一步加大电感量 截止频率一般不低于10KHz 理论上电感量越高对EMI抑制效果越好 但过高的电感将使截止频率将的更低 而实际的滤波器只能做到一定的带宽 也就使高频杂讯的抑制效果变差 一般开关电源的杂讯成分约为5 10MHz之间 另外 感量越高 则绕线匝数越多 就要求磁芯的ui值越高 如此将造成低频阻抗增加 此外 匝数的增加使分布电容也随之增大 使高频电流全部经过匝间电容流通 造成电感发热 过高的ui值使磁芯极易饱和 同时在生产上 制作比较困难 成本较高 共模磁芯的选择 从前述设计要求中可知 共模电感器要不易饱和 如此就需要选择低B H 磁芯损耗与饱和磁通密度 温度特性的材料 因需要较高的电感量 磁芯的 i值也就要高 同时还必须有较低的磁芯损耗和较高的BS 饱和磁通密度 值 符合上述要求之磁芯材质 目前以铁氧体材质最为合适 磁芯大小在设计时并没有一定的规定 原则上只要符合所需要的电感量 且在允许的低频损耗范围内 所设计的产品体积最小化 因此 磁芯材质及大小选取应以成本 允许损耗 安装空间等做参考 共模电感常用磁芯的 i约在2000 10000之间 共模电感圈数的计算 在本电路中 我们选用的磁芯型号为TDKUU9 8磁芯材质PC40 i值2300AL值500nH N 2 共模电感线径的计算 J为无强制散热情况下每平方毫米所通过的电流值 若有强制散热可选择6A Iin avg输入电流平均值2为常数 整流桥 桥堆 的计算 整流桥的耐压选择 整流桥的耐电流选择 所选整流桥的正向管压降 所选整流桥的功率损耗计算 5为输入电流有效值的倍数 经验值 BUCK电容容值的计算 高压启动与RCD箝位电路 红线圈起的电阻为IC的高压启动电阻 电阻阻值的选择由IC特性决定 蓝线圈起的部分为RCD箝位电路 也称为关断缓冲电路 此部分电路主要用于限制MOS关断时高频变压器漏感的能量引起的尖峰电压和次级线圈反射电压的叠加 叠加的电压产生在MOS管由饱和转向关断的过程中 漏感中的能量通过D向C充电 C上的电压可能冲到反电动势与漏感电压的叠加值 即 Vrest Vpp C的作用则是将该部分的能量吸收掉 其容量由下式决定 C Le Isc2 Vrest Vpp 2 Vrest2这里的 Le 漏感 单端反激一般为40 100uH 低于40uH可不考虑 一般取50uH计算 Vrest 反电动势 2 n Vout Vpp 漏感电动势的峰值 8 VrestIsc 短路保护时变压器初级线圈流过的最大电流 Ipk 2 RCD电路电阻 二极管的计算 电阻R 在变压器下半周期由截至变为导通时 C上的能量经R来释放 直到C上的电压将到下次MOS管关断之前的反电动势Vrest 在放电的过程中 漏感电动势 Vpp是不变的 通过放电常数R C和变压器关断时间的关系 可以求得R的值 可以按周期T的63 计算 R C 0 63T Vrest Vpp Vpp注释 T 1 ff 为变压器的工作频率 R 0 63 Vrest Vpp Vpp f C 其功耗为 P Le Isc2 f 2由于D和C上都有能量消耗 而且放电时间可能要短 所以该电阻的实际功耗可按计算值的一半考虑 P 实际 P 计算值 2关于D的取值耐压值要超过叠加值的10 电流要大于输入电流平均值的10 同行工程师经验总结 1 D要选慢速的 对EMI好 2 电容选的越大 电压尖峰越小 也就是RCD吸收的漏感能量越大 3 R应该取值较小才好 R越小 电容放电越快 下个周期时就能吸收更多的能量 4 C选大 R选小 吸收能力较强 且震荡的周期变长 也就是频率降低 EMI较好 但损耗也会较大 故要折中选取 相关知识 什么是漏感 同一个磁体上两个有互感的线圈N1 N2 N1线圈上流过的电流I1产生的磁通 11分为两部分 一部分是匝链N1 N2两个线圈的互感磁通 另一部分只与N1 激励线圈 线圈匝链 不与N2线圈匝链的漏磁通 1S 对应漏磁通产生的感量 称之为漏感 漏感 是一种实际存在的物理参数 而不是一种叫做电感的物体 影响漏感大小的因素 漏感的产生跟线圈间耦合的紧密程度 线圈的绕制工艺 磁路的几何形状 磁介质的性能等有关 漏感的作用 漏感会限制开关管开通时的电流上升速度 有降低开通损耗的效果 但没有降低导通损耗的效果 关断的时候 漏感反而是不利影响 电流由于漏感的存在 下降会变慢 关断损耗会变大 开通瞬间 由于漏感存在 电流的上升速度降低 漏感呈现的是阻抗形式 电流是从零开始上升的 瞬间电流为零 就形成很大阻抗 注 漏感不参与能量的传递 是变压器的寄生参数 应当越小越好 PWMIC功能介绍 R11为IC工作频率调整电阻 D2为辅助绕组供电整流二极管 R14为限流电阻 C5为低频滤波电容 C11为高频滤波电容 R3为过功电阻 R8为驱动电阻 R12MOS开机保护电阻 C12为旁路电容 U3 B为光耦反馈端 500V高压启动电路电流控制模式VCC具有过压保护功能具备过载保护功能500mA驱动能力可调开关频率内置谐波补偿电路 MOS管 开关管 的选择 MOS管的耐压选择 Vdss 2 VdcmaxDS极间耐压要是两倍的直流输入最大电压MOS管的耐电流选择 Idrms Iout 1 2 Po Vdcmin 1 Dmax Idrms MOS所通过的电流有效值Iout 输出电流Po 输出功率Vdcmin 最小输入直流电压值Dmax 最大占空比MOS的导通损耗计算Psw Idrms 2 Rds有效电流值的平方乘上MOS内阻 变压器的简单设计 首先确定已知参数 1 开关频率 Fsw 2 变压器的效率 3 最大占空比 Dmax 4 输入电压范围 Vinmin Vinmax5 输出电压Vout6 输出电流Iout7 K 0 4 DCM 1 CCM 0 3 0 5 8 输出二极管管压降Vf9 辅助绕组电压Vb10 辅助绕组二极管管压降Vfb 设计步骤一 输入功率Pin Vout Iout 输入电流平均值Iin avg Pin 2 Vinmin Dmax 初级电感量Lp 2 Vinmin Dmax 2 2 Pin Fsw K纹波电流 I 2 Vinmin Dmax Lp Fsw 设计步骤二 再确认参数根据设计功率和结构空间选择磁芯选好磁芯确定磁芯材质选出ui值确定材质找出相对温度的Bs 饱和磁通密度 一般选择60 相对的Bs 找出Ae 磁芯实际截面面积 Ac