正激式开关电源的设计讲解

7-37-3 正激式开关电源的设计 中山市技师学院 由于反激式开关电源中的开关变压器起到 曷中海 储能电感 的作用，因此反激式开关变压器类似于电 感的设计，但需注意防止 磁饱和的问题。反激式在 20〜100W 的小功率开关电源方面比较有优势， 因其电 路简单，控制也比较容易。而正激式开关电源中的高频变压器 只起到传输能量 的作用，其 开关变压器可按 正常的变压器设计方法，但需考虑磁复位、同步整流 等问题。正激式适合 50〜 250W 之低压、大电流的开关电源。这是二者的重要区别！ 7.3.17.3.1 技术指标 正激式开关电源的技术指标见表 7-7 所示。 表7-77-7正激式开关电源的技术指标 项目 输入电压 输入电压变动范围 输入频率 输出电压 输岀功率 参数 单相交流220V 160Vac 〜235Vac 50Hz Vo=5.5V@20A 110W 7.3.27.3.2 工作频率的确定 工作频率对电源体积以及特性影响很大，必须很好选择。工作频率高时，开关变压器和输出 滤波器可小型化，过渡响应速度快。但主开关元件的热损耗增大、噪声大，而且集成控制器、主 开关元件、 输出二极管、输出电容及变压器的磁芯、还有电路设计等受到限制。 这里基本工作频率 fo选 200kHz，则 1 1 T = 一 =---------- 3 =5(is f0 200 “O3 式中，T为周期，f0为基本工作频率。 7.3.37.3.3 最大导通时间的确定 对于正向激励开关电源， D选为 40%〜45%较为适宜。最大导通时间tONmax为 toNmax=TDmax (7-24) Dmax是设计电路时的一个重要参数， 它对主开关元件、输出二极管的耐压与输出保持时间、 变压器以及和输出滤波器的大小、转换效率等都有很大影响。此处，选 D max =45%。由式(7-24), 则有 电压 V O 更小。 图7-26“等积变形”示意图 根据式（7-25）,次级最低输出电压 V2min为 5VOVLVFT0.5=I4V V2 min 2.25 toN max 式中， F 取 0.5V （肖特基二极管）， L 取 0.3V。 2 2 •变压器匝比的计算 正激式开关电源中的开关变压器 只起到传输能量|的作用，是真正意义上的变压器, 绕组 的匝比N为 VV 初、次级 V2 (7-26) 根据交流输入电压的变动范围160V〜235V，则 I =200V〜350V, V|min =200V , N=V |min =200~ 14.3 V14 2 min 把式（7-25）、（7-25）整合，则变压器的匝比 N为 Vim inDmax N= VOVLVF V 所以有 (7-27) 7.3.57.3.5变压器次级输出电压的计算 变压器初级的匝数N!与最大工作磁通密度 Bm（高斯）之间的关系为 V|min max10 4 BmS 式中，S为磁芯的有效截面积（mm2）, Bm为最大工作磁通密度。 (7-28) 输出功率与磁芯的尺寸之间关系，见表 2-3 所示。根据 表 2-3 粗略计算变压器有关参数，磁 芯选 EI-28 ,其有效截面积 S约为 85mm 2,磁芯材料相当于 TDK 的 H7C4 ,最大工作磁通密度 Bm 实际使用时，磁芯温度约为 但正向激励开关电源是单向励磁, 频率而改变。此处，工作频率为 100C，需要确保Bm为线性范围，因此 Bm在 3000 高斯以下。 设计时需要减小剩磁 （磁复位）一一剩磁随磁芯温度以及工作 200kHz，则剩磁约减为 1000 高斯，即磁通密度的线性变化范围 根据式（7-28），得 t Im inON max 10 = 2002.2510疋 26.5 匝，取整数 27 匝。 2000 85 4 4 因此，变压器次级的匝数 可由图 7-27 查出。 N2为 N2 = N= 口=27/14.3=1.9 匝，取整数 2 匝。 当N= N1/N2 =27/2=13.5。根据式（7-27），计算最大占空比 Dmax为 Sax = 2。WF+V»N=(5.5 + 0.5 +0.3)M3.5 #42.5% V 200 27 和 2 匝， 为了满足最 Imin 输出电压正常，开关电源的最大占空比也就是说，选定变压器初、次级绕组分别为 低输入电压时还能保证 Dmax约为 42.5%，开关管的最大导通时间 2.1ys下面有关参数的计算以校正后的 算的输出最低电压V2min约为 14.8V。 tON max约为 Dmax（ =42.5% ）和toN max（ =2.1⑴。同时，由式（7-26 ） 计 7.3.67.3.6 变压器次级输出电压的计算 1 1 .计算扼流圈的电感量 □ H） 式中，L为输出扼流圈的电感（ tON max （7-29 ） 流经输出扼流圈的电流 IL如图 7-28 所示，则. IL为 这里选.IL为输出电流I。（ =20A ）的 10%〜30%，从扼流圈的外形尺寸、成本、过程响应 等方面考虑，此值比较适宜。 因此，按 I L 为 I O 的 20%进行计算。 I L = I O 0.2=20 0.2=4A 由式（7-29），求得 A1 14.8 -（0.5+5.5） Ah = --------- ----------- x 2 1 ~4.6 □H 4 如此，采用电感量为 4.6□H,流过平均电流为 20A 的扼流圈。 若把变压器次级的输出电压与电流波形合并在一起，如图 7-29 所示。在tON期间，为幅 度 14.8V 的正脉冲，VD1导通期间扼流圈电流线性上升，电感励磁、磁通量增大；在 tOFF期间, V2为幅度V；/N 的负脉冲（具体分析见下文），VD!截止、VD2导通，扼流圈电流线性下降，电 感消磁， 磁通量减小。输出给负载的平均电流 小量。 |O为 20A。稳态时，扼流圈的磁通增大量等于减 2 •计算输出电容的电容量 输出电容大小主要由输出纹波电压抑制为几mV 而确定。输出纹波电压.Jr由.訂 L 以及输出 0.3%〜0.5%。 =15〜25mV (7-30) 电容的等效串联电阻 ESR①确定，但输出纹波一般为输出电压的 （0.3 ~ 0.5化（0.3~ 0.5/5 15 25 V -1 r = = 100 100 又 己lr= Al L 汇 ESR 由式（7-31）,求得 (7-31) △lr15~25 ESR=—L=-----------=3.75〜6.25mQ △ IL 4 即工作频率为 200kHz 时，需要选用 ESR 值 6.25mQ以下的电容。适用于高频可查电容技术 资料，例 如，用 8200 卩 F/10V 的电容，其 ESR 值为 31mQ，可选 6 个这样的电容并联。另外，需 要注意低温时 ESR 值变大。 流经电容的纹波电流Ic2rms为 A|. 2.3 2 4 .3 （7-32）l C2rms = ------- = ---------厂心1.16A 因此，每一个电容的纹波电流约为 等，它们可能使电容特性改变。 0.2A，因为这里有 6 个电容并联。此外，选用电容时还 要考虑到负载的变化、电流变化范围、电流上升下降时间、输出扼流圈的电感量，使电压稳定的环路的增益 E