【正激式开关电源主电路设计案例分析2700字】

正激式开关电源主电路设计案例分析1.1系统结构设计系统流程大致为:当高压直流输入时，其中滤波电容能起到有效滤波作用,模拟芯片向接受输入信号发射PWM脉冲信号,用于控制MOS开关管的启动和切换,可以改变变压器一次侧的导通或切换截止,把电能转移到二次侧,由于看到变压器二次侧的导通电压也就是脉冲信号,所以需要把二极管进行了整流和电容滤波。通过一个分压电阻把输出的最低电压逆转回到UC3844芯片上,用它来实现PWM的最低输出,以此达到24V的最低电压输出目的。图5系统总体框图图6主电路图1.2变压器设计1.2.1变压器AP公式推导本次正激变换器的变压器设计思路为：先计算出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积的乘积AP（称为磁芯面积乘积）。再查相关文献确定对应磁芯材料之编号；（1）AP法公式推导由法拉第定律推导得，当变压器一次侧以工作电压V1工作时，此时，一次侧NP匝、二次侧匝，则（16）式中为开关工作频率（HZ），为工作磁通密度（T），为磁芯有效面积（m2），为波形系数。由式（3-3）可得（17）磁芯窗口面积乘以使用系数（即有效面积）等于一次侧绕组NP包括的窗口面积与二次侧绕组NS包括的窗口面积之和，即 （18）式中，K0为窗口使用系数（K0＜1）；AP为原边绕组每匝所占用面积；AW为磁芯窗口面积；AS为副边绕组每匝所包括占用面积。每匝所利用面积与流过该线圈的电流值I和电流密度J息息相关，如下式所示（19）（20）式中，I1为一次侧绕组电流，I整理式（17）、（18）、（19）和（20），可得（21）即（22)可表示为 （23)式中，为电流密度比例系数；X为常数，由所用磁芯确定。式（23)又可表示为（24)整理得 （25)（2）确定AP值取K0=0.4，=4.0，BW=0.25T,=250kHz，查表1可知C型铁心的允许温升达到50°C时，=468,X=−0.14，依式（26）可得（26）1.2.2磁芯选择（1）磁芯结构常数如表1所示，各种磁芯结构常数是由最小平方误差法经过各种磁芯材料计算后得出，以符合其参数曲线值而求得。有关工作电流密度J、器件磁芯体积、重量、面积AS与AP的关系为 ；；；（27）表1各种磁芯结构磁心种类损耗 （允许温升25°C） （允许温升50°C） XKS KW KV一般罐形（配线磁芯）=433632-0.1731.54811.6铁粉磁芯>>403590-0.1232.558.811.1金属叠片铁芯=366534-0.1241.368.219.7C型铁芯=323468-0.1439.266.617.9单线圈>>395569-0.1441.676.625.6带绕铁芯=250365-0.1350.982.325（2）铁心参数经过计算得出铁芯参数为10%的裕度，查表得C型铁芯参数为AP=0.51cm4MLT=1.6cm（28）=0.40cm2,AW=1.26cm2,AS=30.8cmMPL2, =6.1cm=0.020kg（29）（3）磁芯选择功率铁氧体的电阻率远远超过了金属磁性材料,因而有效地抑制了涡流产生,使得铁氧体可以广泛地应用于工业和高频场合。制造费用低,化学性能稳定,不易发生锈蚀.但是磁导比一般都会做得比较低,磁化电流比较高,饱和磁通密度也比较低,有时候会被广泛应用于缓冲和嵌位电路。大多数的变压器磁芯仍然以功率较高的铁氧体磁芯为主。磁芯材料中所需考虑的两个重要因素就是它们在工况下频率上的损失及当工作过程中的磁通密度。所以根据各种电源的运行频率可以选用带有镍锌铁氧体的高速C型铁心,允许温升50°C。1.2.3变压器的原副边匝数（1）确定原边绕组匝数依式（19），V1=VS=400V（30）因此，原边绕组取40匝。（2）确定副边绕组匝数（31）（32）电气变压器匝数一般要取整，所以设为3匝。选择合适的原副边匝数比可以有效地减少变压器在运行产生的铁耗和铜耗。1.3电感的设计在输出滤波电路中需要设计滤波电感的值，此处电感和电容一起组成了滤波电路，电感不仅起到了储能作用还有滤波作用，其中电感的材料主要为铁，可以作为导磁材料。1.1.1导磁材料输出滤波电感导磁材料选的是铁粉芯，有以下优势为：区分度好，各种磁导率有相应的颜色，它的输出电流纹波较小，由于分布广泛故经济实惠，铁粉芯的效率比其他材料要高。本电路所用电感的铁粉芯采用为T106-26型号。其参数如下：;长度：；厚度：；内径：；外径：饱和磁感应强度：截面积：；体积：；1.1.2电感感值输出滤波电感在正常连续工作模式下应该设计的尽可能大。(33)（34）在滤波电感中D的值是实时不断改变的，所以当时有：在时有；（35）由伏秒积平衡得:（36）（37）（38）故：（39）(40)1.1.3电感电流峰值当时，对应的最大，所以：(41)其中：(42)即：(43)所以：（44）1.1.4电感匝数(45)其中：所以：（46）这次设计选取为46匝。可以用万能表初测，若结果不理想，需重新修正匝数。初测时，为了确定初始值，必须将探测笔进行短接，再每次测量电感L的值时，修改初始值；用1mH的万用表档位测量电感。1.4MOSFET开关管1.4.1功率MOSFET的选择功率MOSFET的特点是输入绝缘电阻大（1万兆欧以上），栅极电流基本为零。驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。适合低压100V以下，是比较理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A左右（参考）。其速度可以达到几百KHz，使用谐振技术可以达到兆级。MOSFET开关管是控制电路中重要且容易发热的元件。设计到位可以节省大量电能。所以在设计MOSFET开关管时要注意：由下列参数来设计MOSFET：MOSFET最大功耗；输入电流；MOSFET最大允许工作温度；最大峰值电压；MOSFET漏-源极的工作耐压；MOSFET开关频率；PWM控制芯片导通输出电压；PWM控制芯片与MOSFET栅极间工作阻抗；MOSFET环境温度；MOSFET最大占空比。应满足>>Vimax+(47)MOSFET漏极连续最大电流Id应满足：Id>IPK(48)由UC3844导通输出控制电压为12V，工作环境温度，MOSFET的占空比为50%，开关频率为250kHz。查找相关文献后，采用安美森半导体公司生产的的MTD3302型号。1.4.2散热器设计散热器正常工作额定温度为50℃时，结温要保持在120℃以内，，此时散热器的电阻为（49）故应该挑选12.2℃/W的散热器，无论采用何种散热方式。散热器功耗与温升关系如图7所示。图7功耗与温升的关系1.5输入滤波电容输入滤波电容起到了降低电路中产生的电流纹波的作用。通常，当输入电压波动在220V20%时，输入滤波电容的电容值受输出功率的影响，以为标准来计算。即：(50)220(120%)V交流输入时：(51)(52)(53)(54)即。1.6输出滤波电容开关电源输出滤波电容区别于大多数工频电路，输出滤波电路的设计将直接影响输出纹波电压，因此，在输出滤波电路之后，需要添加滤波电容来降低输出电压纹波。选择滤波电容时，纹波电流和ESR是两个重要参数，所选的电解电容器需要具有低ESR和电容器具备高耐压。一般的低频电解电容，使用期电压频率高于12HZ,其电容性质会改变，将直接影响电路性能，造成对开关电源破坏，不仅如此，输出滤波电容器在电路正常运行期间起到滤波减震的效果，能有效的降低系统在运行过程中产生的尖峰噪声。在输出滤波电路的电容选取上，综合上述要求，计算如下：

计算纹波电压：（55）又知：(56)故：(57)又：