基于PQ35的开关电源设计及制作

1、基于PQ35的开关电源设计及制作1引言 开关电源从上世纪50年代问世至今以体积小、效率高而广泛应用于计算机、通信装备等几乎所有的电子设备。其种类繁多、形式多样，发展趋势也朝着小体积、高效率、低成本的方向发展。这里介绍的3 00 W开关电源属于隔离型硬开关、半桥式开关电源，在较低电压(1 4V)和较大电流(2 2A)输出的条件下有很好的效率及输出指标，对核心器件(例如高频变压器)进行了合理的参数及绕制工艺设计。 高频变压器是开关电源中核心能量转换部件，它和普通工频变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片，而是在高频情况下工作的磁导率较高

2、的铁氧体磁芯或铍莫合金等磁性材料，其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量1。铁氧体磁芯有EC、EE、EDT、EP、 EPC、 EF、 EI、 PQ、 RM、 P、LP等多种型号，应用于各种不同的要求，其中PQ型磁芯具有磁屏蔽好的优点，减小了电磁干扰(EMI)的传播，特别适用于开关电源变压器，在50W1 000W范围内的效果较好。2用PQ35/35制作300W半桥式变换器高频开关电源2.1 300W(14V、22A)半桥式开关电源原理图3 00 W(1 4 V、 2 2 A)半桥式开关电源原理图如图1所示。由原理图可看出，3 0

3、0 W半桥式开关电源主要由两只功率管IRFP460LC、高频变压器PQ3535(PC40材质)、输出整流滤波电路、驱动电路、保护电路、控制电路(篇幅所限本图未给出)以及辅助电源等组成。关于半桥式开关电源原理许多书籍已详细说明，本文不再嗷述，下面详细说明高频变压器的参数设计和绕制工艺。22 300W半桥式开关电源高频变压器的参数设计与绕制半桥式高频变压器的磁化特性工作在第一、三象限，磁通变化从一Bm到+Bm，属于对称式工作变压器，无需加气隙。(1)估算PQ35磁芯的功率容量开关电源变压器功率容量计算式为2：式中PT变压器的视在功率，对于半桥式PT=(1 +14 1 4)P。，其中取效率=8 5，

4、Po=300W， 则PT=777w；Ko窗口的铜填充系数，取05：Kf波形系数，方波时取4；Fw开关频率，本例为1 00KHz：Bw磁芯工作磁通密度，一般取13饱和磁通密度，本例采用P C 4 0材质，饱和磁密G s=039T(1 00)， 取Bw=01 3T：Kj电流密度比例系数，一般取400：X常数，由所选磁芯确定，可取一01 2。则A P(7 7 7*1 0405*4*1 00*1 03*01 3*4 00)1.14072cm4。也可以由下式计算3：式中Pt变压器的标称输出功率,可取1.5Po为450W;变压器的效率,这里取85：f开关频率，本例为1 00KH z：Bm磁芯的最大磁感应强

5、度，取1 500GS：漆包线的电流密度，1 00KHz频率可取6Amm2：Km窗口的铜填充系数，取05：Kc磁芯填充系数，可取10。则A P=4 5 0*1 06(2*08 5*1 00*1 03*1 5 00*4*05*1)059cm4。而查表P Q 3 53 5的A P=43 c m4，远远满足功率容量要求，之所以选PQ35也是为以后加大输出功率做准备。(2)计算原边绕组匝数原边绕组匝数可由下面公式计算：式中Kf波形系数，方波时取Pt变压器的标称输出功 4；率，可取15Po为4sow； Fw-开关频率，本例为1-变压器的效率，这里 1ooKH z：Bw磁芯工作磁通密度，取01 3T；Ae

6、磁芯有效面积，PQ3535为196mm2；V变压器原边电压，本例中V=250*132=1 625V。则Np=1 6 254*1 00*1 08*01 3*1 9 6*1 0-6 1 59，取整1 6匝。后来经过实验，取20匝比较合适。(3)计算原、副边绕组匝数比及副边绕组可按下式计算半桥式高频变压器的原、副边匝数比：式中Np-原边绕组匝数Ns-副边绕组匝数Vi n mi n-最小输入直流电压，在交流1 9 0 V加载下约为1 90*13=247V。V o p变压器应输出电压，为电源输出电压Vo、整流二级管正向压降Vdf和滤波电感直流压降V L三项之和除以占空比D，即Vop=(Vo+Vdf十VL

7、)D。在本例中Vo=14V、V df=07V、VL。=02V、D=08，则 Vop=(1 4+07+02)08=18625V则NpNs=12*2471862566。副边绕组Ns=NP66=2066 3匝，在实验中2 0：3的匝比取得了很好的效果。(4)线径和根数的选取原边绕组电流为I p=2 P oVs；Po=Vop*22=149*22=327W；Vs=Vin min*=247*98=2420 6，其中为变压器的效率；则 I p=2*3 2 72 4 20.627A。考虑趋肤效应，在l00KHzl00下穿透深度为=76 5F1/20242mm4，2=0484mm， 应选择直径不超过0484mm

8、的漆包线。考虑有漆的厚度，实际中选取了049mm的高强度漆包线。取电流密度J=6Amm2，则单根o49mm线径漆包线可通过电流为：I=JD24=6*31 4*049*049411 3A则初级可用3根并联。次级为I p*NpN sI1 6根。因为次级的电流比较大(2 2A)，也可用铜箔绕制。(5)高频变压器的绕制高频变压器的绕制在制作开关电源过程中是很复杂的，当功率管由导通转为关断时，由漏感存储的能量释放会产生很大的电压尖峰，容易造成器件的损坏、并且恶化效率，所以要尽量使变压器的漏感降到最小。这里采用的是“三明治”绕法，即先绕初级的一半，再绕次级，然后绕初级的另一半。这样初级将次级包在里面，可以

9、增加耦合，减小漏感。另外采用多股线绞合的方法，在不同的截面，每一股线交换位置，有利于电流均衡；还可以增加线材的表面积，减小高频电阻，有利于降低温升。3 0 0 W主功率高频变压器用04 9mm线径高强度漆包线，初级用3根绞线后先绕最里面的1 0圈，缠2圈胶带。接着绕中间的次级，用1 6根绞线后绕3圈，甩出中心抽头，再按原方向绕3圈，这样可在同一平面上绕完次级，只是中心抽头的来回两根线有些稍鼓出来一些，之后再缠2圈胶带。然后绕初级的后1 0圈，缠3圈胶带。绕制的时候应尽量使线均匀分布，制作完成后测量电感量为初级127mH；两个次级5 5H。实践证明，这样绕制的变压器漏感很小，原、副边漏感只有几个

10、H。(6)驱动变压器的绕制驱动变压器采用罐型磁芯P2318，罐型磁芯的特点是在所有类型的磁芯中具有最好的磁屏蔽效果，但是也具有最差的散热能力，因此比较适合用来制作小功率的驱动变压器。驱动变压器用02mm线径，单根。先绕高桥开关管的20圈，中间绕原边的初级20圈，最后绕低桥开关管的20圈。这是另一种采用次级一初级一次级的绕法，同样可以有效地减小漏感。制好后测量电感量大概有13mH左右。(7)扼流圈的计算扼流圈是开关电源二次输出级主要功率器件，也是影响输出电压指标的重要因素，过大的电感量会使输出的动态特性变差，而过小的电感量又会使输出的纹波指标率差，因此必须选取合适的电感量。粗略地可按下面公式计算

11、：式中P输出功率；F开关频率；I输出电流。则电感量为L=2*Pf*I2=2*3 00(1 00*1 03*2 22)，1 2 H。3纹波抑制和EHI纹波和E M I是开关电源中的重要指标，可以说是直接评价制作电源好坏的标志，因此纹波抑制和减小EM I是每个电源制作者都要绞尽脑汁去解决的。下面是300w电源的一些解决方法。(1)300w开关电源在输入级加入了EMI电源噪声滤波器。电源EMI噪声滤波器是一种无源低通滤波器，它无衰减地将交流电传输到电源，而大大衰减随交流电传入的E M I噪声；同时又能有效地抑制电源设备产生的EM I噪声，阻止它们进入交流电网干扰其它电子设备，降低传导搔扰。(2)在输

12、出级加入了一级抑制纹波噪声的共模扼流圈。使流出的电流和流回的电流在一个小磁环上产生相反的感应磁通，使其相互抵消，极大地消除了输出的高频噪声。经过实验，未加共模扼流圈的输出电压用示波器会看到有20 0mVp-p的高频噪声，加入后只有十几mVp-p。(3)其它的抑制措施。包括在输入级串接NT C防电网浪涌电阻、在功率开关管和输出整流二极管以及高频变压器初级接入RC吸收网络、使用超快恢复肖特基二极管等等，都可以有效地减小电压尖峰、抑制高频噪声。4结束语3 00W开关电源是一款实用的半桥式硬开关电源，其效率达到85，输出纹波在交流2 20V输入满载(1 4 V、2 2 A)下只有80MVPP，而且动态响应好，已在通信中继台上做过24