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前輩工程師分享(1):開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)教程—伏秒平衡

發(fā)布時(shí)間:2015-02-15 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】很多工程師都能回想起自己初學(xué)電源時(shí)的情景,從最基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)開(kāi)始,大量的查閱資料。經(jīng)歷了迷茫和困惑,用時(shí)間一點(diǎn)點(diǎn)的積累。小編將為大家整理一系列有關(guān)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的教程,幾乎包含了開(kāi)關(guān)電源的所有拓?fù)?。這些教程由前工程師編寫(xiě),根據(jù)自身的自學(xué)經(jīng)驗(yàn)為大家量身打造,希望能夠幫助大家走出迷茫,盡快邁上正軌。
 
在本篇文章當(dāng)中將分享來(lái)自前工程師從開(kāi)關(guān)電源到伏秒平衡的相關(guān)知識(shí)。
 
現(xiàn)在市面上的開(kāi)關(guān)電源,總體來(lái)講,其實(shí)就兩類(lèi),一類(lèi)是PWM類(lèi)型的(也許有人會(huì)說(shuō)還有PFM,RCC等等但是歸根結(jié)底這還是一類(lèi)的),包括Flyback、Buck、Boost、Buck-Boost、Flyback、正激、硬半橋、硬全橋、移相全橋、推挽等等。
 
這一系列開(kāi)關(guān)電源的工作核心就是電感伏秒平衡原理。
 
下面就說(shuō)說(shuō)伏秒平衡,這個(gè)絕對(duì)是核心中的核心,容不得半點(diǎn)折扣。
 
先做一下基本的公式推倒:
其實(shí)所謂的伏秒平衡就是磁芯的勵(lì)磁、退磁的過(guò)程。電感在Ton時(shí)候勵(lì)磁,儲(chǔ)存能量,在Toff時(shí)候,退磁,釋放能量。
 
從上面的推倒可以看出,用(E*Ton)就直接可以表示磁芯的勵(lì)磁能量。
 
磁芯在每個(gè)工作周期,都要先勵(lì)磁,然后再?gòu)?fù)位。因?yàn)殡娫丛诜€(wěn)定工作狀態(tài),磁芯每個(gè)周期儲(chǔ)存的能量必須等于釋放的能量,要不然磁芯就飽和了。
 
所以就可以推導(dǎo)出下面這個(gè)超級(jí)簡(jiǎn)單實(shí)用的公式:
 
E1*Ton= -E2*Toff
 
(特別指出,這個(gè)公式成立的充要條件是電感各個(gè)繞組都在同一個(gè)磁芯上,繞組可以是1~n個(gè))
 
E1、E2指的是同一個(gè)繞組兩端的電壓。Ton指的是E1持續(xù)的時(shí)間。Toff指的是E2持續(xù)的時(shí)間。
 
這個(gè)公式的主要作用在哪里呢?在推導(dǎo)各種PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入輸出關(guān)系的時(shí)候,上面那個(gè)公式就非常重要了。有了它,不管是什么拓?fù)?,只要是PWM的,輸入輸出關(guān)系就很容易清晰的證明出來(lái),是非常重要的一個(gè)公式。
 
接下來(lái)就開(kāi)始進(jìn)入正題,講一下反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。
 
反激式開(kāi)關(guān)電源大家再熟悉不過(guò),其優(yōu)點(diǎn)不在少數(shù),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低廉。最重要的是適應(yīng)的功率范圍比較廣,幾瓦到200瓦,市電輸入,輸出電壓不超過(guò)63V,輸出電流不超過(guò)15A,在這個(gè)范圍內(nèi),反激式到目前為止還是很有優(yōu)勢(shì)的。甚至有的產(chǎn)品為了對(duì)成本進(jìn)行節(jié)約,將反激做到了500W。
 
接下來(lái)我們就來(lái)講一下反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì),上面說(shuō)了伏秒平衡,那個(gè)是推導(dǎo)所有的PWN類(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)。
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反激式
 
下面主要講反激式的主拓?fù)涔ぷ髟硪约白儔浩鞯挠?jì)算。反激式開(kāi)關(guān)電源,其實(shí)是屬于Buck-Boost的變種。更多的詳細(xì)資料大家可以去網(wǎng)上查詢,這里就不多說(shuō)了。
 
我們先從Buck-Boost開(kāi)始來(lái)分析。
Buck-Boost
圖1
 
Mos關(guān)開(kāi)通
 
電源電壓加到電感兩端,電感有電流流過(guò),感應(yīng)電壓上正下負(fù)。
 
二極管反偏,次級(jí)電解電容沒(méi)有有效回路對(duì)電感勵(lì)磁,所以,電感儲(chǔ)存能量全部來(lái)自初級(jí)。
 
電感兩端伏秒積為Vin*Ton。
Buck-Boost
圖2
 
開(kāi)關(guān)管關(guān)斷
 
電感感應(yīng)電壓反轉(zhuǎn),變?yōu)橄抡县?fù),電感對(duì)輸出釋放能量,電感磁芯復(fù)位。
 
次級(jí)電解電容對(duì)電感勵(lì)磁。
 
伏秒積為:Vout*Toff。
 
由同一個(gè)磁芯上伏秒平衡原理
 
Vin*Ton+Vout*Toff=0
 
得到:
 
Vout=-(Vin*Ton)/Toff=-Vin* (只對(duì)連續(xù)模式成立)
 
斷續(xù)模模式Toff還要減去死區(qū),這樣推導(dǎo)的話,應(yīng)該比較容易讓大家理解。
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反激式設(shè)計(jì)
 
反激式開(kāi)關(guān)電源是現(xiàn)在市面上電子消費(fèi)品中應(yīng)用最廣泛的拓?fù)?。反激式開(kāi)關(guān)電源最適合的功率范圍在3-150W之間,可以做成CC模式或者CV模式。代表有適配器,輔助電源,LED驅(qū)動(dòng)等等。
 
接下來(lái)就說(shuō)一下反激式主拓?fù)涞墓ぷ髟硪约霸O(shè)計(jì)中需要注意的要點(diǎn)。
反激式設(shè)計(jì)
圖3
 
如圖3所示,主回路關(guān)鍵元器件就那幾個(gè):輸入主電解電容,變壓器,開(kāi)關(guān)管,整流二極管,輸出電解電容。
 
下面分析一下反激式的基本工作原理。參照?qǐng)D3,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通:變壓器初級(jí)電流上升,磁心儲(chǔ)存能量,次級(jí)線圈與初級(jí)同名端相反,二極管截至。
 
初級(jí)線圈上面的伏秒積:Vin*Ton。
初級(jí)線圈
圖4
 
開(kāi)關(guān)管關(guān),初級(jí)線圈沒(méi)有放電回路,因?yàn)殡姼须娏鞑荒芡蛔?,線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反轉(zhuǎn),次級(jí)二極管導(dǎo)通,磁芯通過(guò)次級(jí)二極管放電,輸出點(diǎn)解電容對(duì)磁芯勵(lì)磁,磁芯復(fù)位。
 
開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,次級(jí)線圈上的伏秒積:n*Vout*Toff。
 
同一個(gè)磁芯上,由伏秒積平衡原理:
 
Vin*Ton=n*Vout*Toff
 
化簡(jiǎn) 得到反激式輸入輸出的關(guān)系式:
 
Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>
 
Ton=T*D
 
Voff=T*(1-D)
 
代入上式得
 
Vout=(1/n)
 
上面式子只是對(duì)連續(xù)模式反激成立,臨界或者斷續(xù)模式需要減去四區(qū),四區(qū)時(shí)間,次級(jí)二極管截止,次級(jí)不對(duì)磁芯勵(lì)磁。觀察上面的輸入輸出關(guān)系,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),決定反激式變壓器輸入輸出關(guān)系的參數(shù):
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1、占空比。其實(shí)占空比是反激式?jīng)Q定輸入輸出增益的核心。
 
我們暫且把變比n假設(shè)為1,則可以得到:
 
Vout=Vin*(D/1-D)
 
D<0.5的時(shí)候,Vout。
 
D>0.5的時(shí)候,Vout>Vin,工作在升壓區(qū)域。
 
2、變比n。變比n就不用多說(shuō),和常規(guī)的變壓器的邊比一樣的。
 
反激式開(kāi)關(guān)電源,按照工作波形,有兩種工作模式:
連續(xù)模式。
圖5連續(xù)模式。
 
圖5是連續(xù)模式的主要工作波形,初級(jí)次級(jí)電流都有一部分是直流成分。
連續(xù)模式的主要工作波形
圖6
 
在相同的輸入電壓輸入功率條件下,Iavg一定,電流波形越連續(xù),那么初級(jí)回路上的峰值電流就越小,特別是關(guān)斷電流Ipk1,Ipk1對(duì)于關(guān)斷損耗影響非常大。
 
平均電流跟峰值電流的關(guān)系
 
這個(gè)計(jì)算其實(shí)很簡(jiǎn)單,也就初中幾何就足夠了,計(jì)算電流波形的面積。
 
開(kāi)關(guān)管開(kāi)通階段,流過(guò)電感的電流:(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton (體形面積)
 
平均到整個(gè)周期就得到輸入的平均電流。
 
Iavg=<(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton>/(Ton+Toff)
 
設(shè)計(jì)時(shí)候我們是把上式倒過(guò)來(lái)用的,用平均電流求出峰值電流。一般習(xí)慣性的用一個(gè)字母K代表Ipk1/Ipk2,
 
這個(gè)K值,影響到初級(jí)電流的連續(xù)程度。連續(xù)模式適用于輸入電壓相對(duì)較低,功率相對(duì)較大的情況下。
 
關(guān)于什么時(shí)候使用連續(xù)模式,什么時(shí)候使用斷續(xù)模式,這個(gè)其實(shí)沒(méi)有絕對(duì)的,一般情況下,對(duì)于十幾瓦以下的東西,一半都使用斷續(xù)模式,現(xiàn)在PSR在小功率方面比較主流,PSR的充電器一般都是斷續(xù)模式,有些IC為了適應(yīng)新的能耗要求,又開(kāi)始使用谷底導(dǎo)通技術(shù),所以這一類(lèi)只能工作在斷續(xù)模式。
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斷續(xù)模式的優(yōu)勢(shì):
 
1、磁芯利用充分,線圈匝數(shù)少,變壓器比較小。
 
2、Mos管零電流開(kāi)通,開(kāi)通無(wú)損耗。
 
3、次級(jí)二極管零電流關(guān)斷,可以不需要使用肖特基二極管。
 
斷續(xù)模式的壞處:
 
1、功率大的情況下,Mos管關(guān)斷電流大,相同的平均電流情況下,電流有效值更大,變壓器初級(jí)需要更粗的銅線。
 
2、波形越陡峭,趨膚效應(yīng)會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重,需要使用多股線或者更粗的銅線。
 
3、電解電容紋波電流大。
臨界模式Flyback的工作波形
圖7 臨界模式Flyback的工作波形
 
本篇文章主要介紹了伏秒平衡和反激式的設(shè)計(jì),希望大家能夠充分理解文章當(dāng)中的知識(shí)點(diǎn)。從事電源工程師行業(yè),實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí),知識(shí)都是在問(wèn)題的解決和實(shí)踐中學(xué)習(xí)到的,而不是對(duì)著書(shū)本死磕理論得來(lái)的。在下一篇教程當(dāng)中,將為大家梳理反激開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)流程。
 
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