開關(guān)電源元器件選型—保險絲

 

 

第一個安規(guī)元件—保險管

 

 

1、作用：安全防護(hù)。在電源出現(xiàn)異常時，為了保護(hù)核心器件不受到損壞。

2、技術(shù)參數(shù)：額定電壓V、額定電流I、熔斷時間I^2RT。

3、分類：快斷、慢斷、常規(guī)

 

 

1、0.6為不帶功率因數(shù)校正的功率因數(shù)估值

2、Po輸出功率

3、η效率（設(shè)計(jì)的評估值）

4、Vinmin 最小的輸入電壓

5、2為經(jīng)驗(yàn)值，在實(shí)際應(yīng)用中，保險管的取值范圍是理論值的1.5~3倍。

6、0.98 PF值

 

開關(guān)電源元器件選型—熱敏電阻

 

 

NTC的作用

 

 

NTC是以氧化錳等為主要原料制造的精細(xì)半導(dǎo)體電子陶瓷元件。電阻值隨溫度的變化呈現(xiàn)非線性變化，電阻值隨溫度升高而降低。利用這一特性，在電路的輸入端串聯(lián)一個負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻增加線路的阻抗，這樣就可以有效的抑制開機(jī)時產(chǎn)生的浪涌電壓形成的浪涌電流。當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時，由于線路中持續(xù)工作電流引起的NTC發(fā)熱，使得電阻器的電阻值變得很小，對線路造成的影響可以完全忽略。

 

NTC的選擇公式

 

 

對上面的公式解釋如下：

 

1. Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值；

2. Rn是熱敏電阻在Tn常溫下的標(biāo)稱阻值；

3. B是材質(zhì)參數(shù)；(常用范圍2000K~6000K)

4. exp是以自然數(shù) e 為底的指數(shù)（ e =2.{{71828:0}} ）；

5. 這里T1和Tn指的是K度即開爾文溫度，K度=273.15(絕對溫度)+攝氏度.

 

開關(guān)電源元器件選型—壓敏電阻

 

 

壓敏電阻的作用

 

1、壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。

2、主要作用：過電壓保護(hù)、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)半導(dǎo)體元器件等。

3、主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時間等。

4、壓敏電阻的響應(yīng)時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管（瞬間抑制二極管）稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。

 

選取壓敏電阻的方法

 

 

壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流，在用作過壓保護(hù)時必須考慮到這一點(diǎn)。壓敏電阻的選用，一般選擇標(biāo)稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個參數(shù)。

 

1、a為電路電壓波動系數(shù)，一般取值1.2.

2、Vrms 為交流輸入電壓有效值。

3、b為壓敏電阻誤差，一般取值0.85.

4、C為元件的老化系數(shù)，一般取值0.9.

5、√2 為交流狀態(tài)下要考慮峰峰值。

6、V1mA 為壓敏電阻電壓實(shí)際取值近似值

7、通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25℃情況下，對于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化不超過± 10％時的最大脈沖電流值。 

 

選取壓敏電阻的方法

 

結(jié)合前面所述，來看一下本電路中壓敏電阻的型號所對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)。

 

 

開關(guān)電源元器件選型—EMI電路

 

 

EMI電路

 

 

根據(jù)IEC {{60384:0}}-14,安規(guī)電容器分為X電容及Y電容:

 

X電容是指跨與L-N之間的電容器, 

Y電容是指跨與L-G/N-G之間的電容器.

 

安規(guī)電容之--X電容

 

1、X電容多選用耐紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容。這種類型的電容,體積較大,但其允許瞬間充放電的電流也很大,而其內(nèi)阻相應(yīng)較小。

2、X電容容值選取是uF級，此時必須在X電容的兩端并聯(lián)一個安全電阻,用于防止電源線拔插時,由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電。 安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線被拔掉時,在兩秒鐘內(nèi),電源線插頭兩端帶電的電壓(或?qū)Φ仉娢?必須小于原來額定工作電壓的30%。

3、作為安全電容之一的X電容,也要求必須取得安全檢測機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。X電容一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和耐壓AC250V或AC275V字樣,但其真正的直流耐壓高達(dá)2000V以上,使用的時候不要隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V或者DC400V之類的的普通電容來代用。

4、X電容主要用來抑制差模干擾

5、安全等級 峰值脈沖電壓 等級（IEC664）

6、X1 >2.5kV ≤4.0kV Ⅲ

7、X2 ≤2.5kV Ⅱ

8、X3 ≤1.2kV ——

9、X電容沒有具體的計(jì)算公式，前期選擇都是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，后期在實(shí)際測試中，根據(jù)測試結(jié)果做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

10、經(jīng)驗(yàn)：若電路采用兩級EMI，則前級選擇0.47uF,后級采用0.1uF電容。若為單級EMI，則選擇0.47uF電容。（電容的容量大小跟電源功率沒有直接關(guān)系）

 

 

安規(guī)電容之--Y電容

 

1、交流電源輸入分為3個端子：火線（L）/零線（N）/地線（G）。在火線和地線之間以及在零線和地線之間并接的電容, 這兩個Y電容連接的位置比較關(guān)鍵,必須需要符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn), 以防引起電子設(shè)備漏電或機(jī)殼帶電,容易危及人身安全及生命。它們都屬于安全電容,從而要求電容值不能偏大,而耐壓必須較高。

 

2、Y電容主要用于抑制共模干擾

 

3、Y電容的存在使得開關(guān)電源有一項(xiàng)漏電流的電性指標(biāo)。

工作在亞熱帶的機(jī)器,要求對地漏電電流不能超過0.7mA;工作在溫帶機(jī)器,要求對地漏電電流不能超過0.35mA。因此,Y電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700PF（472）。

 

Y電容的作用及取值經(jīng)驗(yàn)

 

Y電容底下又分為Y1, Y2, Y3，Y4, 主要差別在于:

 

1.Y1耐高壓大于8 kV,屬于雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣|額定電壓范圍≥ 250V

2.Y2耐高壓大于5 kV,屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍≥150V ≤250V

3.Y3耐高壓 ≥2.5KV ≤5KV 屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍≥150V ≤250V

4.Y4耐高壓大于2.5 kV屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍<150V

GJB151中規(guī)定Y電容的容量應(yīng)不大于0.1uF。Y電容除符合相應(yīng)的電網(wǎng)電壓耐壓外，還要求這種電容器在電氣和機(jī)械性能方面有足夠的安全余量，避免在極端惡劣環(huán)境條件下出現(xiàn)擊穿短路現(xiàn)象，Y電容的耐壓性能對保護(hù)人身安全具有重要意義。

 

共模電感

 

EMI電路

 

共模電感的作用

 

共模電感上，A和B就是共模電感線圈。這兩個線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制方向向反)。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼)；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時，由于共模電流的同向性，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，抑制高速信號線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射，達(dá)到濾波的目的。

 

共模電感的設(shè)計(jì)

 

 

第一步： 確定客戶的規(guī)格要求 ， EMI允許級別

第二步： 電感值的確定

第三步： core（磁芯）材質(zhì)及規(guī)格確定

第四步：繞組匝數(shù)及線徑的確定

第五步：打樣

第六步：測試

共模電感的電感量計(jì)算

 

EMI等級 : Fcc Class B

已知條件：C2=C7=3300pF

 

 

EMI測試頻率：傳導(dǎo)150KHz~30MHz。

EMC測試頻率: 30MHz~3GHz。

 

實(shí)際的濾波器無法達(dá)到理想濾波器那樣陡峭的阻抗曲線，通?？蓪⒔刂诡l率設(shè)定在50KHz左右。在此，假設(shè)Fo=50KHz。則以上，得出的是理論要求的電感值，若想獲得更低的截止頻率，則可進(jìn)一步加大電感量，截止頻率一般不低于10KHz。理論上電感量越高對EMI抑制效果越好，但過高的電感將使截止頻率將的更低，而實(shí)際的濾波器只能做到一定的帶寬，也就使高頻雜訊的抑制效果變差（一般開關(guān)電源的雜訊成分約為5~10MHz之間）。另外，感量越高，則繞線匝數(shù)越多，就要求磁芯的ui值越高，如此將造成低頻阻抗增加。此外，匝數(shù)的增加使分布電容也隨之增大，使高頻電流全部經(jīng)過匝間電容流通，造成電感發(fā)熱。過高的ui值使磁芯極易飽和，同時在生產(chǎn)上，制作比較困難，成本較高。

 

共模磁芯的選擇

 

從前述設(shè)計(jì)要求中可知，共模電感器要不易飽和，如此就需要選擇低B-H（磁芯損耗與飽和磁通密度）溫度特性的材料，因需要較高的電感量，磁芯的μi值也就要高，同時還必須有較低的磁芯損耗和較高的BS（飽和磁通密度）值，符合上述要求之磁芯材質(zhì)，目前以鐵氧體材質(zhì)最為合適，磁芯大小在設(shè)計(jì)時并沒有一定的規(guī)定，原則上只要符合所需要的電感量，且在允許的低頻損耗范圍內(nèi)，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品體積最小化。

因此，磁芯材質(zhì)及大小選取應(yīng)以成本、允許損耗、安裝空間等做參考。共模電感常用磁芯的μi約在2000~{{10000:0}}之間。

 

 

共模電感圈數(shù)的計(jì)算

 

在本電路中，我們選用的磁芯型號為

TDK UU9.8

磁芯材質(zhì)PC40

μi值2300

AL值 500nH/N^2

 

 

共模電感線徑的計(jì)算

 

 

J為無強(qiáng)制散熱情況下每平方毫米所通過的電流值，若有強(qiáng)制散熱可選擇6A。

Iin_avg輸入電流平均值

 

2為常數(shù)

 

開關(guān)電源元器件選型—整流橋

 

 

整流橋（橋堆）的計(jì)算

 

 

BUCK電容容值的計(jì)算

 

 

開關(guān)電源元器件選型—RCD鉗位電路

 

高壓啟動與RCD箝位電路

 

紅線圈起的電阻為I C的高壓啟動電阻，電阻阻值的選擇由IC特性決定。

 

藍(lán)線圈起的部分為RCD箝位電路(也稱為關(guān)斷緩沖電路)。此部分電路主要用于限制MOS關(guān)斷時高頻變壓器漏感的能量引起的尖峰電壓和次級線圈反射電壓的疊加，疊加的電壓產(chǎn)生在MOS管由飽和轉(zhuǎn)向關(guān)斷的過程中，漏感中的能量通過D向C充電，C上的電壓可能沖到反電動勢與漏感電壓的疊加值，即：Vrest+ ΔVpp。

 

 

C的作用則是將該部分的能量吸收掉，其容量由下式?jīng)Q定：

C=（Le×Isc^2）/[（ Vrest+ ΔVpp ）^2- Vrest^2]

這里的， Le：漏感，單端反激一般為40~100uH，低于40uH可不考慮，一般取50uH計(jì)算；

Vrest：反電動勢；2*n*Vout

ΔVpp：漏感電動勢的峰值；8%*Vrest

Isc：短路保護(hù)時變壓器初級線圈流過的最大電流。Ipk^2

 

RCD電路電阻、二極管的計(jì)算

 

電阻R：

在變壓器下半周期由截至變?yōu)閷?dǎo)通時，C上的能量經(jīng)R來釋放，直到C上的電壓將到下次MOS管關(guān)斷之前的反電動勢Vrest，在放電的過程中，漏感電動勢ΔVpp是不變的，通過放電常數(shù)R、C和變壓器關(guān)斷時間的關(guān)系，可以求得R的值，可以按周期T的63%計(jì)算：

 

R×C=0.63T×（ Vrest+ ΔVpp ）/ ΔVpp

注釋：T=1/f f：為變壓器的工作頻率。

R=0.63 （ Vrest+ ΔVpp ）/ （ΔVpp ×f ×C）

其功耗為：P= Le×Isc2×f/2

由于D和C上都有能量消耗，而且放電時間可能要短，所以該電阻的實(shí)際功耗可按計(jì)算值的一半考慮。

P（實(shí)際）=P（計(jì)算值）/2

關(guān)于D的取值

耐壓值要超過疊加值的10%。

電流要大于輸入電流平均值的10%

同行工程師經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

1、D要選慢速的，對EMI好；

2.電容選的越大，電壓尖峰越小，也就是RCD吸收的漏感能量越大；

3.R應(yīng)該取值較小才好，R越小，電容放電越快，下個周期時就能吸收更多的能量。

4.C選大，R選小，吸收能力較強(qiáng)，且震蕩的周期變長，也就是頻率降低，EMI較好，但損耗也會較大，故要折中選取。

 

開關(guān)電源元器件選型—Mos管/漏感介紹

什么是漏感？

 

同一個磁體上兩個有互感的線圈N1、N2，N1線圈上流過的電流I1產(chǎn)生的磁通￠11分為兩部分，一部分是匝鏈N1、N2兩個線圈的互感磁通，另一部分只與N1（激勵線圈）線圈匝鏈，不與N2線圈匝鏈的漏磁通￠1S。對應(yīng)漏磁通產(chǎn)生的感量，稱之為漏感。

 

漏感，是一種實(shí)際存在的物理參數(shù)，而不是一種叫做電感的物體。

影響漏感大小的因素：漏感的產(chǎn)生跟線圈間耦合的緊密程度、線圈的繞制工藝、磁路的幾何形狀、磁介質(zhì)的性能等有關(guān)。

漏感的作用：漏感會限制開關(guān)管開通時的電流上升速度，有降低開通損耗的效果。但沒有降低導(dǎo)通損耗的效果。關(guān)斷的時候，漏感反而是不利影響。電流由于漏感的存在，下降會變慢，關(guān)斷損耗會變大。開通瞬間，由于漏感存在，電流的上升速度降低，漏感呈現(xiàn)的是阻抗形式。電流是從零開始上升的，瞬間電流為零，就形成很大阻抗。

注：漏感不參與能量的傳遞，是變壓器的寄生參數(shù)，應(yīng)當(dāng)越小越好。

 

 

MOS管（開關(guān)管）的選擇

 

 

    MOS管的耐壓選擇：

    Vdss=2*Vdcmax       DS極間耐壓要是兩倍的直流輸入最大電壓

    MOS管的耐電流選擇：

    Idrms=Iout*[1.2(Po/Vdcmin)/1-Dmax]

    Idrms:MOS所通過的電流有效值

    Iout:輸出電流

    Po:輸出功率

    Vdcmin:最小輸入直流電壓值

    Dmax：最大占空比

    MOS的導(dǎo)通損耗計(jì)算

    Psw=Idrms^2*Rds

    有效電流值的平方乘上MOS內(nèi)阻

 

開關(guān)電源元器件選型—反激變壓器

 

變壓器的簡單設(shè)計(jì)

 

 

首先確定已知參數(shù)：

    1）開關(guān)頻率：Fsw；

    2）變壓器的效率：η；

    3）最大占空比：Dmax；

    4）輸入電壓范圍：Vinmin,Vinmax

    5）輸出電壓 Vout

    6）輸出電流Iout

    7）K=0.4(DCM=1,CCM=0.3~0.5)；

    8）輸出二極管管壓降Vf

    9）輔助繞組電壓Vb

    10）輔助繞組二極管管壓降Vfb

 

設(shè)計(jì)步驟一

    輸入功率  Pin=(Vout*Iout) η

    輸入電流平均值 Iin_avg=Pin/(√2*Vinmin*Dmax)

    初級電感量Lp=(√2*Vinmin*Dmax)^2/2*Pin*Fsw*K

    紋波電流 ⊿I= √2*Vinmin*Dmax/Lp*Fsw

 

設(shè)計(jì)步驟二

    再確認(rèn)參數(shù)

    根據(jù)設(shè)計(jì)功率和結(jié)構(gòu)空間選擇磁芯

    選好磁芯確定磁芯材質(zhì)選出ui值

    確定材質(zhì)找出相對溫度的Bs(飽和磁通密度)一般選擇60°相對的Bs.

    找出Ae（磁芯實(shí)際截面面積）、Acw（磁芯總卷線截面面積）、Ve（磁芯實(shí)效體積）值

 

設(shè)計(jì)步驟三

 

    計(jì)算輸入電流峰值Ipk=(Iin_avg*⊿I/2)*1.2

    計(jì)算AP值 AP=Ae*Acw

    計(jì)算初級圈數(shù)確認(rèn)選擇

        NP1= (√2*Vinmin*Dmax)/ui*Fsw*Ae

        NP2=LP*Ipk/Bs*Ae

        NP= | NP1 if  NP1>NP2

                | NP2 otherwise

    匝比的計(jì)算 n=[Dmax/(1-Dmax)]/Vout+Vf

    次級線圈的計(jì)算 NS=NP/n

    輔助繞組線圈的計(jì)算Nfb=(Vf+Vfb/Vout+Vf)*NS

    反推驗(yàn)證Dmax

    Dmax=[n*(Vout+Vf)]/[√2*Vinmin+n*(Vout+Vf)]

    氣隙的計(jì)算 Lg=4*3.14*10^-7*NP^2*Ae/Lp

 

關(guān)于反激變壓器的氣隙

 

為什么要開氣隙？

反激變換器中，變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，因而變壓器磁芯處于直流偏磁狀態(tài)，為防磁飽和因此要加入氣隙。

防止磁芯飽和不僅只有開氣隙一種方法，另外一種是增加磁心的體積；不過通常設(shè)計(jì)時空間已經(jīng)限制了磁芯的大小，所以實(shí)際設(shè)計(jì)中開氣隙的方法應(yīng)用的比較多；

這兩種方法都可以使磁心的磁滯回線變得“扁平”，這樣對于相同的直流偏壓，就降低了工作磁通的密度。

 

變壓器的線徑選擇

 

變壓器的線徑計(jì)算是有規(guī)定的，特別是反激式電源變壓器更應(yīng)該注意？

自然冷卻時j=1.5~4A/mm2，強(qiáng)迫冷風(fēng)時3~5A/mm2。

在不同的頻率下選取d也是不同的，在200KHz以下時，一般為4~5A/mm2，在200KHz以上時，一般為2~3A/mm2。

 

 

變壓器的繞制方法

 

為了減少漏感，目前最好的、工藝最簡單的繞制方法是初次級交錯繞法也就是大家常說的三明治繞法。

 

 

開關(guān)電源元器件選型—輸出整流管

 

電動自行車電源電路原理圖

 

 

次級側(cè)電路原理圖

 

 

次級整流二極管的選型

 

為了降低輸出整流損耗，次級整流二極管一般選用肖特基二極管，肖特基二極管有較低的正向?qū)▔航礦f，能通過較大的電流。

 

輸出整流二極管的耐壓值

 

    Vout為輸出電壓

    Np為變壓器原變?nèi)?shù)

    Ns為變壓器副邊圈數(shù)

    Vdcmax為輸入最大直流（最大交流的峰值）

    120%為給二極管留的尖峰余量

 

二極管的峰值電流值

 

 

    Ipp為原邊的峰值電流（計(jì)算變壓器時計(jì)算）

 

次級整流二極管的有效值電流值（此處為工作在DCM模式）

 

 

    Dmax為最大占空比

 

次級整流管的熱設(shè)計(jì)

 

    二極管的熱損耗包括正向?qū)〒p耗、反向漏電流損耗及恢復(fù)損耗。因?yàn)檫x用的是肖特基二極管，反向恢復(fù)時間短和漏電流比較小，可忽略不記。

 

    二極管的PN結(jié)對環(huán)境的熱阻可以通過DATASHEET查得Rthjc=1.2°C/W

 

        Tj=Rthjc*Vf*Id_rms+Ta

        Ta為工作的環(huán)境溫度

        Tj為二極管工作溫度理論值

        Vf表示二極管的正向?qū)▔航?/div>