反激电源设计与仿真

1、反激开关电源设计与仿真,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,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

2、善) 以智邦30W为例，结合书本理论。,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,电源电路原理图,初级侧部分,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,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。 0.98 PF值,关于功率因数,大

3、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

4、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,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，

5、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。,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；,压敏电阻的作用,压敏电阻

6、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。,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

7、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。,EMI电路,X电容，共模电感（也叫共模扼流圈 ），Y电容 根据IEC 60384-14,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

8、-G/N-G之间的电容器.,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1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37%。 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2000

9、V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。,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） X1 2.5kV 4.0kV X2 2.5kV X3 1.2kV X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。,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

10、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。,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8 kV,属于双重绝缘或加强绝缘|额定电压范围 250V 2. Y2耐高压大于5 kV,属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围150V 250V 3. Y3耐高压 2.5KV 5KV 属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围150V 250V 4. Y4耐高压大于2.5 kV属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围150V GJB151中规定Y电容的容量应不大于0.

11、1uF。Y电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量，避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象，Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。,共模电感的作用,共模电感上，A和B就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制方向向反)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，

12、抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射，达到滤波的目的。,整流桥（桥堆）的计算,整流桥的耐压选择,整流桥的耐电流选择,所选整流桥的正向管压降,所选整流桥的功率损耗计算,5为输入电流有效值的倍数，经验值。,BUCK电容容值的计算,高压启动与RCD箝位电路,红线圈起的电阻为I C的高压启动电阻，电阻阻值的选择由IC特性决定。 蓝线圈起的部分为RCD箝位电路(也称为关断缓冲电路)。此部分电路主要用于限制MOS关断时高频变压器漏感的能量引起的尖峰电压和次级线圈反射电压的叠加，叠加的电压产生在MOS管由饱和转向关断的过程中，漏感中的能量通过D向C充电，C上的电压可能冲到反电动势与漏感电压的叠加值，即：V

13、rest+ Vpp。,C的作用则是将该部分的能量吸收掉，其容量由下式决定： C=（LeIsc2）/（ Vrest+ Vpp ）2- Vrest2 这里的， Le：漏感，单端反激一般为40100uH，低于40uH可不考虑，一般取50uH计算； Vrest：反电动势；2*n*Vout Vpp：漏感电动势的峰值；8%*Vrest Isc：短路保护时变压器初级线圈流过的最大电流。Ipk2,RCD电路电阻、二极管的计算,电阻R： 在变压器下半周期由截至变为导通时，C上的能量经R来释放，直到C上的电压将到下次MOS管关断之前的反电动势Vrest，在放电的过程中，漏感电动势Vpp是不变的，通过放电常数R、C

14、和变压器关断时间的关系，可以求得R的值，可以按周期T的63%计算： RC=0.63T（ Vrest+ Vpp ）/ Vpp 注释：T=1/f f：为变压器的工作频率。 R=0.63 （ Vrest+ Vpp ）/ （Vpp f C） 其功耗为：P= LeIsc2f/2 由于D和C上都有能量消耗，而且放电时间可能要短，所以该电阻的实际功耗可按计算值的一半考虑。 P（实际）=P（计算值）/2 关于D的取值 耐压值要超过叠加值的10%。 电流要大于输入电流平均值的10%,MOS管（开关管）的选择,MOS管的耐压选择： Vdss=2*Vdcmax DS极间耐压要是两倍的直流输入最大电压 MOS管的耐电

15、流选择： Idrms=Iout*1.2(Po/Vdcmin)/1-Dmax Idrms:MOS所通过的电流有效值 Iout:输出电流 Po:输出功率 Vdcmin:最小输入直流电压值 Dmax：最大占空比 MOS的导通损耗计算 Psw=Idrms2*Rds 有效电流值的平方乘上MOS内阻,吸收,分压,次级侧部分,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

16、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。,不知道莫工分析的RC吸收结果怎么样，请上传系统。,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，

17、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、副边二极管反压尖峰超标，就在这个二极管上拼命吸

18、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。 2、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。 吸收电容C和吸收电阻R取值到底对电路有何影响？,反馈分压回路,1.反馈回路采用最常用的TL431加光耦电路。 2.C17、R25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 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。 具体见431分析电路。,关于隔离器件光耦,光耦全称是光电耦合器，英文名字是：optical coupler，英文缩写为OC，亦称光电隔离器，简称光耦。光耦隔离就是采用光电耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离干扰的作用。 光耦合器的技术参数主要有发光二极