【導(dǎo)讀】將電源模塊等效為一個電阻負載的話,相當(dāng)于在T3時間內(nèi)電容對恒定功率負載進行放電,電容電壓降低(Vpk-Vmin)V。
技術(shù)要求:輸入電壓Vin:90-253Vac
輸出電壓Vo:27.6V
輸出電流Io:6A
輸出功率Po:166W
效率η:0.85
輸入功率Pin:195W
一、輸入濾波電容計算過程:
上圖為整流后濾波電容上電壓波形,在最低輸入電壓下,如果我們想在濾波電容上得到的電壓Vdc為115V,則從上圖可以得到:
Vpk=90*1.414=127V
Vmin=Vdc-(Vpk-Vdc)=103V
將電源模塊等效為一個電阻負載的話,相當(dāng)于在T3時間內(nèi)電容對恒定功率負載進行放電,電容電壓降低(Vpk-Vmin)V。
Idc*T3=C*△V
其中:
△V=Vpk-Vmin=127-103=24V
關(guān)鍵部分在T3的計算,T3=t1+t2,t1為半個波頭,時間比較好算,對于50Hz的交流來說,t1=5mS,然后就是計算t2,其實t2也很好計算,我們知道交流輸入電壓的公式為
Vx=Vpksinθx,根據(jù)已知條件,Vx=103V,Vpk=127V,可以得到θx=54度,所以t2=54*10ms/180=3mS, T3=t1+t2=8mS。
C=1.7*8/24=0.57mF=570uF
二、變壓器的設(shè)計過程
變壓器的設(shè)計分別按照DCM、CCM、QR兩種方式進行計算,其實QR也是DCM的一種,不同的地方在于QR的工作頻率是隨著輸入電壓輸出功率的變化而變化的。
對于變壓器磁芯的選擇,比較常用的方法就是AP法,但經(jīng)過多次具體設(shè)計及根據(jù)公司常用型號結(jié)合,一般可以直接選擇磁芯,象這個功率等級的反激,選擇PQ3535的磁芯即可。磁芯的參數(shù)如下:AE=190mm2,AL=4300nH,Bmax≥0.32T
1)DCM變壓器設(shè)計過程:
開關(guān)頻率選擇80K,最大占空比選擇0.48,全范圍DCM,則在最低輸入電壓Vdc下,占空比最大,電路工作在BCM狀態(tài),根據(jù)伏秒平衡,可以得到以下公式,
Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),
從而計算反射電壓為Vor=95V
匝比
n=Vor/(Vo+Vf)=3.32 Vf為整流二極管壓降
計算初級匝數(shù)
計算副邊匝數(shù)
Ns=Np/n=6.32,選擇7匝,
則原邊匝數(shù)調(diào)整為
Np=3.32*7=23匝
計算輔助繞組匝數(shù),輸出電壓變化范圍按照20-27.6V設(shè)計,要求在20V輸出下輔助繞組能正常供電,所以,輔助繞組選擇4匝。
初級電感量
Po=0.5L*I*I*F/η I=Vinmin*Dmax/(L*F)
將各個參數(shù)代入,得到L值 L=78uH
初級電流峰值:
初級電流有效值:
次級電流有效值:
根據(jù)電流有效值,可以選擇變壓器線徑,根據(jù)匝數(shù)繞電感后,調(diào)整氣息使電感量滿足要求,即可得到合適的變壓器。
以下黃色字體部分,是根據(jù)batteryli提到,對于DCM,變壓器的△B值可以適當(dāng)選的大一些,從而降低匝數(shù)減小漏感,可以減小尖峰。因此按照△B=0.2設(shè)計的變壓器。
開關(guān)頻率選擇80K,最大占空比選擇0.48,全范圍DCM,則在最低輸入電壓Vdc下,占空比最大,電路工作在BCM狀態(tài),根據(jù)伏秒平衡,可以得到以下公式,
Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),
從而計算反射電壓為Vor=95V
匝比
n=Vor/(Vo+Vf)=3.32 Vf為整流二極管壓降
計算初級匝數(shù)
計算副邊匝數(shù) Ns=Np/n=4.8,選擇5匝,
則原邊匝數(shù)調(diào)整為 Np=3.32*5=17匝
計算輔助繞組匝數(shù),輸出電壓變化范圍按照20-27.6V設(shè)計,要求在20V輸出下輔助繞組能正常供電,所以,輔助繞組選擇3匝。
初級電感量 Po=0.5L*I*I*F/η I=Vinmin*Dmax/(L*F)
將各個參數(shù)代入,得到L值 L=78uH
初級電流峰值:
初級電流有效值:
次級電流有效值:
根據(jù)電流有效值,可以選擇變壓器線徑,根據(jù)匝數(shù)繞電感后,調(diào)整氣息使電感量滿足要求,即可得到合適的變壓器。
2)CCM變壓器設(shè)計過程:
CCM變壓器的設(shè)計,必須首先確定一個負載點,在該狀態(tài)下,變壓器工作在BCM狀態(tài)下,如果負載繼續(xù)增加則進入CCM,如果負載減小,則進入DCM,一般情況下,我會選擇最低輸入電壓下額定負載的70%為BCM狀態(tài)。
70%負載情況下,輸出功率為P0.7=27.6*6*0.7=116W,因此峰值電流為
從這個時刻,如果繼續(xù)增加負載電流,變壓器進入CCM狀態(tài),占空比不變,所以,峰峰值電流也就是這個值,因此ΔI=4.94A
滿載情況下,輸入平均電流
設(shè)峰值電流為IPK則
根據(jù)△I占Ipk的比例,確定△Bmax,△Bmax/Bmax=△I/Ipk得到△Bmax=4.94*0.32/6=0.26T,選擇△B為0.18T,計算變壓器原邊匝數(shù)
根據(jù)伏秒平衡,可以得到以下公式,
Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),
從而計算反射電壓為Vor=95V
匝比 n=Vor/(Vo+Vf)=3.32 Vf為整流二極管壓降
副邊匝數(shù) Ns=18/3.32=5.4,選擇6匝,
原邊匝數(shù)調(diào)整為 Np=3.32*6=20
計算輔助繞組匝數(shù),輸出電壓變化范圍按照20-27.6V設(shè)計,要求在20V輸出下輔助繞組能正常供電,所以,輔助繞組選擇4匝。
根據(jù)△I=Vdc*Dmax/Lp*F,可以得到變壓器原邊電感值
3)QR模式變壓器的設(shè)計過程
最低輸入電壓103V,最大占空比Dmax選擇0.48,在最低輸入電壓情況下,變壓器工作在臨界模式(QR模式實際只是近似與臨界模式不是在臨界模式,只是為了方便計算,用臨界模式來近似計算),則根據(jù)伏秒平衡
Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),
Vor= Vdc*Dmax/(1-Dmax)
=103*0.48/(1-0.48)
=95V
匝比 n=Vor/(Vo+Vf)=95/(27.6+1)=3.32
采用0B2203,如果全范圍內(nèi)都工作在QR狀態(tài)下,則在同一負載條件下,工作頻率只跟隨輸入電壓變化,頻率變化比如下:
將Vo=27.6V、Vf=1V、VdcL=115V、n=3.32、VdcH=360V代入,可以得到FsH=2.25FsL,如果將低壓滿載工作頻率設(shè)置在50k,則高壓滿載工作頻率則工作在2.25*50=112.5 k。
變壓器工作在QR模式時,MOS管開通時,變壓器原邊儲存能量,在MOS關(guān)關(guān)閉時刻完全傳遞到副邊,每個周期變壓器原邊儲存的能量為
變壓器傳遞到副邊的總能量等于每個周期傳遞的能量與頻率的乘積,所以
原邊峰值電流可以通過下式得到
將 Po=166W、η=0.85、Vdc=115V、Dmax=0.48、F=50K帶入上式可以得到變壓器原邊電感 L=156uH
在最低輸入電壓情況下,初級峰值電流最大,初級電流峰值最大值
初級電流波形為三角波,所以有效值為
次級電流有效值
則初級繞組匝數(shù)匝
次級繞組匝數(shù)Ns=26/3.32=8匝,選擇8匝,則原邊調(diào)整為27匝
由于負載為兩串鉛酸蓄電池,最低充電電壓按照20V計算,輔助繞組選擇4匝。
MOS管的選擇
初級峰值電流6.34A,按照1.5倍余量選擇,MOS管電流選擇6.34*1.5=9.5A
輸入電壓最高值360V,反射電壓95V,考慮尖峰電壓100V,MOS管耐壓按照0.85的余量選擇,則MOS管耐壓應(yīng)不低于
庫存MOS管中,滿足電壓電流條件的型號為FQA13N80,所以選擇該型號
MOS管。
輸出二極管的選擇
變壓器變比27:8,當(dāng)輸入電壓最高時,折算到副邊的電壓為
360*8/27=107V
因此二極管承受的反向電壓為107+27.6=135V,考慮尖峰電壓50V,二極管耐壓按照0.85的容量選擇,則
V=(135+50)/0.85=218V
副邊峰值電流為6.34*27/8=21A
庫存最接近的二極管是STTH3003,耐壓300V,兩個15A二極管并聯(lián)。