经典开关电源电解电容设计与选用

输入整流滤波器及钳位保护电路的设计输入整流滤波器及钳位保护电路的设计 1 1 输入输入整流整流桥的选择桥的选择 1 1 整流桥的导通时间与选通特性整流桥的导通时间与选通特性 50Hz 交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压 u1 再通过输入滤波电容得到直流高 压 U1 在理想情况下 整流桥的导通角本应为 180 导通范围是从 0 180 但由于 滤波电容器 C 的作用 仅在接近交流峰值电压处的很短时间内 才有输入电流流经过整流 桥对 C 充电 50Hz 交流电的半周期为 10ms 整流桥的导通时间 tC 3ms 其导通角仅为 54 导通范围是 36 90 因此 整流桥实际通过的是窄脉冲电流 桥式整流滤波电 路的原理如图 1 a 所示 整流滤波电压及整流电流的波形分别如图 l b 和 c 所示 最后总结几点 1 整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大约为 30 2 整流二极管的一次导通过程 可视为一个 选通脉冲 其脉冲重复频率就等于交 流电网的频率 50Hz 3 为降低开关电源中 500kHz 以下的传导噪声 有时用两只普通硅整流管 例如 1N4007 与两只快恢复二极管 如 FR106 组成整流桥 FRl06 的反向恢复时间 trr 250ns 2 2 整流桥的参数选择整流桥的参数选择 隔离式开关电源一般采用由整流管构成的整流桥 亦可直接选用成品整流桥 完成桥 式整流 全波桥式整流器简称硅整流桥 它是将四只硅整流管接成桥路形式 再用塑料封 装而成的半导体器件 它具有体积小 使用方便 各整流管的参数一致性好等优点 可广 泛用于开关电源的整流电路 硅整流桥有 4 个引出端 其中交流输入端 直流输出端各两 个 硅整流桥的最大整流电流平均值分 0 5 40A 等多种规格 最高反向工作电压有 50 1000V 等多种规格 小功率硅整流桥可直接焊在印刷板上 大 中功率硅整流桥则要 用螺钉固定 并且需安装合适的散热器 整流桥的主要参数有反向峰值电压 URM V 正向压降 UF V 平均整流电流 Id A 正向峰值浪涌电流 IFSM A 最大反向漏电流 IR A 整流桥的反向击穿电压 URR 应满足 下式要求 举例说明 当交流输入电压范围是 85 132V 时 umax 132V 由式 1 计算出 UBR 233 3V 可选耐压 400V 的成品整流桥 对于宽范围输入交流电压 umax 265V 同理 求得 UBR 468 4V 应选耐压 600V 的成品整流桥 需要指出 假如用 4 只硅整流管来构成 整流桥 整流管的耐压值还应进一步提高 辟如可选 1N4007 1A 1000V 1N5408 3A 1000V 型塑封整流管 这是因为此类管子的价格低廉 且按照耐压值 宁高勿 低 的原则 能提高整流桥的安全性与可靠性 设输入有效值电流为 IRMS 整流桥额定的有效值电流为 IBR 应当使 IBR 2IRMS 计 算 IRMS 的公式如下 式中 PO 为开关电源的输出功率 为电源效率 umin 为交流输入电压的最小值 cos 为开关电源的功率因数 允许 cos 0 5 0 7 由于整流桥实际通过的不是正弦 波电流 而是窄脉冲电流 参见图 1 因此整流桥的平均整流电流 Id IRMS 一般可按 Id 0 6 0 7 IRMS 来计算 IAVG 值 例如 设计一个 7 5V 2A 15W 开关电源 交流输入电压范围是 85 265V 要求 80 将 Po 15W 80 umin 85V cos 0 7 一并代入 2 式得到 IRMS 0 32A 进而求出 Id 0 65 IRMS 0 21A 实际选用 lA 600V 的整流桥 以留出 一定余量 2 2 输入滤波电容器的选择输入滤波电容器的选择 1 1 输入滤波电容器容量的选择输入滤波电容器容量的选择 为降低整流滤波器的输出纹波 输入滤波电容器的容量 CI 必须选的合适 令每单位输 出功率 W 所需输入滤波电容器容量 F 的比例系数为 k 当交流电压 u 85 265V 时 应 取 k 2 3 F W 当交流电压 u 230V 1 15 时 应取 k 1 F W 输入滤波电容器 容量的选择方法详见附表 l Po 为开关电源的输出功率 2 准确计算输入滤波电容器容量的方法输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参 数 CI 值选得过低 会使 UImin 值大大降低 而输入脉动电压 UR 却升高 但 CI 值取得过 高 会增加电容器成本 而且对于提高 UImin 值和降低脉动电压的效果并不明显 下面介 绍计算 CI 准确值的方法 设交流电压 u 的最小值为 umin u 经过桥式整流和 CI 滤波 在 u umin 情况下的输入 电压波形如图 2 所示 该图是在 Po POM f 50Hz 整流桥的导通时间 tC 3ms 80 的 情况下绘出的 由图可见 在直流高压的最小值 UImin 上还叠加一个幅度为 UR 的一次侧脉 动电压 这是 CI 在充放电过程中形成的 欲获得 CI 的准确值 可按下式进行计算 举例说明 在宽范围电压输入时 umin 85V 取 UImin 90V f 50Hz tC 3ms 假定 Po 30W 80 一并带入 3 式中求出 CI 84 2 F 比例系数 CI PO 84 2 F 30W 2 8 F W 这恰好在 2 3 F W 允许的范围之内 开关开关电电源决定一次源决定一次侧滤侧滤波波电电容 主要影响容 主要影响电电源的性能参数源的性能参数为输为输出低出低频频 交流交流纹纹波与保持波与保持时间时间 滤滤波波电电容越大 容越大 电电容器上的容器上的 Vin min 越高 可越高 可 以以输输出出较较大功率的大功率的电电源 但相源 但相对对价格也提高了 价格也提高了 输输入入电电解解电电容容计计算算 方法方法 举举例例说说明明 1 因因输输出出电压电压 12V 输输出出电电流流 2A 故故输输出功率 出功率 Pout Vo Io 12 0V 2A 24W 2 设设定定变压变压器的器的转换转换效率效率约为约为 80 则输则输出功率出功率为为 24W 的的电电源其源其输输入功率 入功率 Pin Pout 效率效率 3 因因输输入最入最 小交流小交流电压为电压为 90VAC 则则其直流其直流输输出出电压为电压为 Vin 90 127Vdc 故故 负载负载直流直流电电流流为为 I 若若电电源的等源的等级级要求要求较较高高时时 可考可考虑虑如下参数如下参数进进 行推算行推算 因因输输入最小交流入最小交流电压为电压为 90VAC 则则其最低其最低输输出直流出直流电压为电压为 Vin min 90 30 直流直流纹纹波波电压电压 97Vdc 故最大 故最大负载负载直流直流电电流流为为 IMAX 4 设计设计允允许许 30VPP 的直流的直流纹纹波波电压电压 并且 并且电电容要容要维维持持电电 压压的的时间为时间为半周期半周期 t 即半周期的工 即半周期的工频频率交流率交流电压电压在在约约是是 8ms T 0 0167S 16 7 ms 则则 C 62uF 在常用在常用电电容容 47 82uF 之之间间 因考 因考虑虑成成 本本问题问题 故故实际选择电实际选择电容量容量 47uF 5 因最大因最大输输入交流入交流电压为电压为 264Vac 则则最高直流最高直流电压为电压为 V 264 373VDC 实际选实际选用通用型耐用通用型耐 压压 400Vdc 的的电电解解电电容容 此此电压电压等等级级 电电容有容有 95 的裕度的裕度 6 电电容器的容器的 承受的承受的纹纹波波电电流流值值决定决定电电容器的温升容器的温升 进进而决定而决定电电容器的寿命容器的寿命 电电容容 器的最大器的最大纹纹波波电电流流值值与其体与其体积积 材材质质有关有关 体体积积越大散越大散热热越好耐受越好耐受纹纹波波 电电流流值值越高越高 故在故在选选用用电电容器要考容器要考虑实际纹虑实际纹波波电电流流值值 电电容器的最大容器的最大 纹纹波波电电流流值值 7 开关源元器件温升一般