模块电源培训讲义

1、模块电源培训，DC模块部2009年1.1月1.3日，内容概要，1，DC/DC板砖模块电源概要，电源电力变压器设计3，电源电力电感量设计4，电源种子文件倒车控制电路设计5，问题讨论，1，DC/DC砖机模块电源概要，1，开关电源供电结构， 开关电源的供电结构主要有3种，分别为集中结构、分布式结构(DPA )、中间男低音结构(IBA )。 集中的结构在一个集中的电源转换器上产生所需的各种电压等级的输出电压，并给各个负载供电。 由于成本便宜，至今仍是使用最广泛的形式。 分布式结构采用48V电压直流男低音，将电力传输至负载侧，通过独立的隔离DC/DC模块对各负载供电。 分布式结构具有电源效率高、输出电压

2、调整率高、输出噪声小、动力响应快等优点，曾被认为是电源发展的方向。 中间男低音的结构由两级构成，首先通过隔离DC/DC变换器将48V变换为中间的电压，采用中间的电压男低音，例如12V的电压男低音，将电力传送给负载侧，然后通过第二级的非隔离DC/DC模块向负载供给电力。 中男低音结构电源成本低，竞争力强。 当前，非隔离DC/DC模块的增长速度超过了隔离DC/DC模块。分布式结构、中间男低音结构、2、板砖电源历史、1996年朗讯科技上市板砖电源模块，成为板砖电源的标准。 DC/DC模块主要有4种用户：计算机和办公室自动化、通讯、工业和仪表(医疗)、军事和宇宙航行，其中通讯贡献最大。 目前主流的DC

3、/DC模块电源制造商主要分为DOSA联盟和POLA联盟两个阵营。 DOSA联盟是分布式电源开放标准联盟，由Tyco和SynQor于2004年2月成立，联盟的主要目标是在越来越细化的转换器市场中确保DC/DC产品的兼容性和标准化以DOSA联盟为对象的产品有非绝缘(POL )和绝缘电源转换器。 POLA联盟是负载点联盟，成立于2003年6月，旨在标准化非隔离负载点电源模块的外形和占用面积。DC/DC砖瓦模块电源、非隔离DC/DC模块电源、3、砖瓦模块电源电路拓扑、砖瓦模块电源的主要产品功率范围为50-250W，输出电压范围为1.2V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V、12V、28V等。 同步

4、整流有源箝位正激变换器是一种主流拓扑，具有云推送拉拽、半桥、全桥、BUCK-BOOST级联反应等隔离结构。 负载点电源的主流拓扑分析是同步整流bucket电路或多同步整流bucket电路，采用非绝缘结构。 目前，板砖模块电源今后是否普遍采用数控技术意见不一，而负载点电源在这方面已有所进展，越来越多的非隔离模块电源采用数控技术，以满足更高的功率密度、更高效、更高可信、智能二烯烃电源管理等复杂的电源要求问题：我们的模块电源应该发展到哪里？有源箝位、云推送拉拽、半桥、全桥、BUCK-BOOST级联反应、非隔离BUCK，2、电源电力变压器的设计、1、常用MnZn功率镍锌铁氧体材料特性、磁滞曲线磁感应强

5、度b与磁场强度h的关系除了在真空中和磁性材料的小磁化场中具有线性关系外，还具有非线性关系，即所谓磁滞回线的右图是典型的磁滞曲线，其中Bs是饱和磁化，Br是剩余磁性，Hc是保持磁场力，Hs是饱和磁化场，I是初始磁导率。 不同磁性材料的磁滞回线表现形式不同，Bs、Br、Hc、Hs也不同。 以天通(TDG )核模型为例，用于开关电源的MnZn功率镍锌铁氧体材料主要有TP2、TP3、TP4、TP4A、TP5等，其中以TP4的材质得到广泛应用。TP4材质在2.5下的饱和磁感应强度为Bs=510mT、剩馀磁通Br=100mT、保持磁场力Hc=14A/m、电力损失Pcv=600kW/m3(100kHz、20

6、0mT正弦波)、100下的饱和磁感应强度为Bs=390mT、剩馀磁通Br=55mT、保持磁场力Hc=9A/m 残奥仪表对照表如下：居里温度点居里温度点有几种称为磁性材料从强磁性(第一铁元素磁性)向顺磁性转变的温度，或者磁消失温度的方式，决定天通材料标准规定的居里温度点的方法如右图所示，随着温度升高，磁导率下降到最大值的80%和20%时，在此TP4材质的居里温度点为220，在实际应用中，内核的最高温度必须远离居里温度点，一般内核的工作温度不得超过125。 另一方面，从芯的功率损失和温度的关系来看，TP4材质的最佳工作温度点在80-100之间，在这种情况下，芯损失最低，变压器效率最高。 TP4材料

7、特性表与特性曲线、2、电压互感器模型、等等的电力变压器都可以将其等同于右图的理想模型，即泄漏电感量、励磁电感与理想电压互感器的串联并列关系。 理想电压互感器的电压电流关系与灯比严格成比例，不考虑电压互感器损耗。 这里，Np是1边匝数，Ns1、Ns2是2边匝数，Lrp是1边泄漏感，lr1、lr2是2边泄漏感，Lm是励磁电感。 漏感有时可以作为次要因素忽略，简单地处理问题。 3、电压互感器设计方法、电压互感器设计是励磁电感Lm实际工作状态的设计。 由此我们使用的物理方程式是磁通与励磁电感、励磁电流的关系：磁通与线圈匝数、磁感应强度、磁芯的有效面积的关系：根据磁芯的饱和特性，根据以下规律，在式中，u

8、是施加于电感量Lm两端的电压，t是作用时间。 假定电压u为稳定的一定量，励磁电感Lm也为一定(不考虑非线性)，这是磁芯的伏秒关系。 计算步骤： (1)基于功率拓扑化学基，分析电压互感器励磁电流Im的工作波形，基于安培环路定理，得到磁场强度h的工作范围。 式中le是磁路的有效长度。 (2)在迟滞现象格拉夫中，根据磁场强度h的动作范围来决定磁感应强度b的动作范围，来决定Bw。 (3)根据核的伏秒关系，计算电压互感器的1边圈数： (4)根据灯比关系，计算电压互感器的2边圈数： (5)决定电压互感器励磁电感Lm的大小。 打开空气隙可以减少电感量Lm，从而增加云同步的泄漏灵敏度Lr。 在一般的正激电路中

9、，泄漏电感量变大不是好事，谐振的峰值会增加很多。 但是，打开空气隙可以提高磁场和温度的稳定性，使Lm比较一致。 电压互感器设计的应用实例：实例1 :设计了有源箝位同步整流电压互感器，已知核心采用EIQ25、TP4材质，有效面积Ae=89.7mm2，输入电压DC36V-75V，输出电压12Vdc，工作频率250KHz。 设计过程： (1)建立电压互感器模型，分析励磁电流Im的工作波形。 有源箝位同步整流的主要动作过程如以下4个状态图所示，能够获得开关管Vds波形和励磁电流波形。 在(2)迟滞现象格拉夫中，确定磁感应强度b的动作范围。 励磁感应电流在Im_max-Im_max之间动作，对应的磁场强

10、度在正负饱和磁场强度之间： Hs-Hs，因此磁感应强度b的最大动作范围在Bs-Bs之间确定。 即，一般情况下，将100下的Bs值即0.39T设为设计最大值。 这样，在Bw0.78T时，磁芯不饱和，该值越大，磁芯的损失也越大。 有源箝位的最大工作比通常设计为输入低压(36V时为65% )。 支持开关频率250KHz、开关周期Ts=4us。 由此能够确定Np的最小值。(3)根据核的伏特秒的关系计算电压互感器的初级线圈数：这是核不饱和的最小取值，减少核损耗，并且避免由于通电瞬间的2倍的磁通效果而引起的核饱和，通常使用BwBs。 假设Bw=0.35T，Np的可能值取决于合适斜率n，例如3、4或5。 (

11、4)计算电压互感器的副边圈数。 根据输入电压和输出电压的稳定关系，最终能够确定Np是4匝，Ns是2匝。 (5)决定电压互感器励磁电感Lm的大小。 能够决定有源钳位的谐振频率与开关频率的关系，即，励磁电感Lm的大小。 公式中的c是吸收容纳量，通常被设为0.1uF，比例系数也被设为1/71/16，以进一步降低Vds电压纹波。 最后，验证结果。 例2 :设计回扫变压器，在不连续模式下工作，已知核心采用RM4、TP4材质，输出有效面积Ae=14.0mm2、输入电压DC36V-75V、输出电压10Vdc、最大电流200mA、工作频率350KHz。 设计过程： (1)建立电压互感器模型，分析励磁电流Im的

12、工作波形。 通过在右边的3个状态图中表示不连续模式的回扫的主要动作过程，能够获得开关管Vds波形和励磁电流波形。 (2)在迟滞现象格拉夫中，确定磁感应强度b的操作范围。 而且，励磁感应电流Im必须小于其最大值，对应的磁场强度也必须小于Hs，所以磁感应强度b的最大工作范围是在Bs Br之间确定的。 即，在将一般情况下作为100下的Bs值的390mT设为设计最大值的情况下，Br=55mT。 这样，在Bw335mT时，核不饱和。 Bw值越大，核损耗也越大。 回扫的最大工作比一般设计为输入低压，即36V时的45%。 支持开关频率350KHz、开关周期Ts=2.86us。 由此能够确定Np的最小值。 (

13、3)根据核的伏特秒的关系计算电压互感器的一边的匝数：这样，Np取1.0、1.1、1.2等的值，并依赖于适当的匝数n。 (4)计算电压互感器的副边圈数。 为了确保电路在不连续的状态下工作，当从磁芯的伏特秒的关系中代入相关数据时，得到N2.95。 这样，能够决定1次侧匝数Np=10、2次侧匝数Ns=3、匝数比3.33 . (5)决定电压互感器励磁电感Lm的大小。 根据不连续模式的回扫拓扑，即，完全传送能量的原理，在该方案中，为电压互感器的效率，并且应该考虑实际情况来选择，其中的值为0.7。 代入相关数据后，最后可以验证计算结果。 问题(1)全桥、半桥电压互感器应如何计算？ (2)应如何计算连续模式

14、的回扫电压互感器？ 三、电源电力电感量的设计、电力电感量的设计原理与电压互感器励磁电感Lm的设计原理相同，使用的物理方程式也相同。 应注意的重点是，电感量必须在不饱和区工作，自饱和电感量除外。 电感量伏特秒必须保持平衡。 (1)分析电感量电流Im的动作波形，得到安培环路的定理，即，磁场强度h的动作范围，并根据磁滞曲线决定动作磁电感量强度Bw。 式中le是磁路的有效长度。 (2)根据伏特秒平衡关系确定电感量Lm。 (3)根据磁饱和特性，计算电感量绕组的最小圈数Np。 应用例1 :设计了有源箝位输出滤波器的电力电感量，核心采用EIQ25、TP4材质，已知有效面积Ae=89.7mm2、输入电压DC3

15、6V-75V、输出电压12Vdc、输出电流25A、电压互感器灯比2:1、工作频率250KHz。 设计过程： (1)分析感应电流I的工作波形。 在电感量中有两个工作状态，励磁和减磁阶段。 在励磁阶段感应电流持续上升，在减磁阶段感应电流持续下降。 假设电感器以连续模式运行，并且电流波动输出I、平均电流Io，那么尖峰电流可以是与此时的磁场强度的最大值对应的Hs，并且对应的磁感应强度为Bs。 一般设为I=(20%)Io。(2)当代入伏秒平衡关系，即工作比与投入产出电压的关系及电感量量能够取的值：相关数据时，L=3.2uH。 (3)根据磁饱和特性，计算电感量绕组的最小圈数Np。 根据：代入相关数据，电感

16、量线圈的最小圈数： Np2.52，可取值为3圈。 最后对计算结果进行验证。 问题(1)不连续模式的电力电感量应该如何计算？ (2)多绕组电感量及耦合电感应如何计算？ 四、电源种子文件回控电路的设计，1、种子文件回控的基础，LC电路的滤波原理是LC电子滤波器、输入电压Vin、输出电压Vo。 这些个的关系是：式中，s=jw表示频度，自变量Vo是原因变量。 (1)此时在低频，也就是在高频，也就是在高频，定义了传递函数：在该传递函数的波特酒图中，右： LC电路的滤波器原理为： 如果输入电压为包括各种频率成分的信号，则射频波部分衰减，仅次低频部分出现为Vo。 实际的电子滤波器模型是bucket电路和bu

17、cket电路的变形电路，例如单端正激、半桥、全桥等的电路拓扑，电子滤波器的模型如下：该电路考虑滤波电感量和滤波电容器的寄生现象电阻残奥计，传递函数如下： 在1次近似的情况下，传递函数包括比例微分环(由电解电容器ESR构成的零点)、比例积分环(由射频波滤波电容器构成的极点)和振动环(由LC构成的二极)。 式中，时间常数：衰减比： LC电路品质因子。 波特酒图示如下：三型补偿电路补偿由LC电子滤波器引起的180相位延迟，所以我们用三型补偿电路进行相位补偿。 三型补偿电路的电路原理是，该电路的传递函数具有两个零点、两个极、一个初始极。 两个零点的作用是抵消LC两极引起的相移，极1抵消电解电容器ESR

18、的零点，极2抵消开关噪声，初始极调整环路增益和带宽。 波特酒图如下： 2、开关电源的控制模式、具有LC滤波特性的开关电源闭环模型如下：开关电源的控制模式主要有三种，一种称为尖峰电流模式控制，一种称为平均电流模式控制，一种称为电压模式控制。 近年来，新的控制技术被称为伪波动控制技术，或者被称为固定导通时间控制技术，具有电路结构简单、动力响应好等特点，是一种调频控制方法。 三种控制模式的对比如下： 3、设计应用实例：例1 :设计有源箝位简单的励磁拓扑分析补偿电路，输入电压DC36V75V、输出电压12Vdc、输出电流25A、电压互感器灯比2:1、开关频率250KHz、输出滤波器电感量5.0uH、要求输出脉动设计