反激开关电源各部分详细介绍---初级部分(上下)演示幻灯片

1,研发中心彭磊,反激式开关电源设计解析,（上）,2,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,3,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。,4,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,5,电源电路原理图,6,初级侧部分,7,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I2RT。分类：快断、慢断、常规,8,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1.53倍。0.98PF值,9,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0.50.7，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,10,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。,11,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）；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；,12,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。,13,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。,14,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。,15,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.,16,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。,17,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）X12.5kV4.0kVX22.5kVX31.2kVX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）,18,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）。,19,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150V250V3.Y3耐高压2.5KV5KV属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围150V250V4.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NP2|NP2otherwise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DmaxDmax=n*(Vout+Vf)/2*Vinmin+n*(Vout+Vf)气隙的计算Lg=4*3.14*10-7*NP2*Ae/Lp,38,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。,关于反激变压器的气隙,39,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。,40,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。,41,变压器档案的制作要求,举例说明变压器档案,42,下次培训讲-次级侧部分,谢谢！,反激式开关电源设计解析,（下）,反激开关电源特点,优点成本低，外围元件少，低耗能，可设置多组输出。缺点输出纹波比较大。弥补缺陷的方法输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器可以改善,电动自行车电源电路原理图,次级侧电路原理图,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,二极管的平均电流值,二极管的峰值电流值,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/WTj=Rthjc*Vf*Id_rms+TaTa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表示通过二极管的平均电流,吸收回路,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。,吸收回路,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。,吸收回路,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。,吸收回路,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。,吸收回路,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。,吸收回路,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。,吸收回路,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。,吸收回路,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。,吸收回路,软件仿真不同阻值时的波形曲线图,次级滤波电容的计算,次级输出电容损耗的计算,Tan()代表电容的损失角正切值,ESR1代表电容的内阻,Pcout代表电容的输出损耗,输出电感的计算,IL=Iout/(1-Dmax)先计算出电感上电流L=(Vdcmin*Dmax)/(Fs*IL*r)L为电感量Vdcmin为最小的输入直流电压Dmax为最大占空比Fs为开关频率IL为流经电感的电流r为系数取值0.4,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)/1mAVout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。,反馈分压回路,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。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。关于补偿回路会作为一节课单独讲解。,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，输出末端加稳压二极管，当输出远高出设定电压，稳压二极管反向击穿，使输出正负极形成短路，使初级启动短路保护或熔断保险保护。,限流电路,限流电路由R18、U5、C17、R9、R20、R21组成。工作原理：R18为回路的电流检测电阻，为了降低损耗，此电阻选择时尽量的小。U5为运算放大器LM358，358内部由两个运放，我们将两个运放一个做放大器，一个做比较器，将检测电阻上的电压值放大32.4倍后与基准电压做比