開關電源設計心得

2022-01-02 23:08:22 字數 3663 閱讀 1754

反激電源變壓器漏感是乙個非常關鍵的引數,由於反激電源需要變壓器儲存能量,要使變壓器鐵芯得到充分利用,一般都要在磁路中開氣隙,其目的是改變鐵芯磁滯迴線的斜率,使變壓器能夠承受大的脈衝電流衝擊,而不至於鐵芯進入飽和非線形狀態,磁路中氣隙處於高磁阻狀態,在磁路中產生漏磁遠大於完全閉合磁路。

變壓器初次極間的偶合,也是確定漏感的關鍵因素,要盡量使初次極線圈靠近,可採用三明治繞法,但這樣會使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用視窗比較長的磁芯,可減小漏感,如用ee、ef、eer、pq型磁芯效果要比ei型的好。

關於反激電源的占空比,原則上反激電源的最大占空比應該小於0.5,否則環路不容易補償,有可能不穩定,但有一些例外,如美國pi公司推出的 top系列晶元是可以工作在占空比大於0.5的條件下。

占空比由變壓器原副邊匝數比確定,本人對做反激的看法是,先確定反射電壓(輸出電壓通過變壓器耦合反映到原邊的電壓值),在一定電壓範圍內反射電壓提高則工作占空比增大,開關管損耗降低。反射電壓降低則工作占空比減小,開關管損耗增大。當然這也是有前提條件,當占空比增大,則意味著輸出二極體導通時間縮短,為保持輸出穩定,更多的時候將由輸出電容放電電流來保證,輸出電容將承受更大的高頻紋波電流沖刷,而使其發熱加劇,這在許多條件下是不允許的。

占空比增大,改變變壓器匝數比,會使變壓器漏感加大,使其整體效能變,當漏感能量大到一定程度,可充分抵消掉開關管大占空帶來的低損耗,時就沒有再增大占空比的意義了,甚至可能會因為漏感反峰值電壓過高而擊穿開關管。由於漏感大,可能使輸出紋波,及其他一些電磁指標變差。當占空比小時,開關管通過電流有效值高,變壓器初級電流有效值大,降低變換器效率,但可改善輸出電容的工作條件,降低發熱。

如何確定變壓器反射電壓(即占空比)

有網友提到開關電源的反饋環路的引數設定,工作狀態分析。由於在上學時高數學的比較差,《自動控制原理》差一點就補考了,對於這一門現在還感覺恐懼,到現在也不能完整寫出閉環系統傳遞函式,對於系統零點、極點的概念感覺很模糊,看波德圖也只是大概看出是發散還是收斂,所以對於反饋補償不敢胡言亂語,但有有一些建議。如果有一些數學功底,再有一些學習時間可以再把大學的課本《自動控制原理》找出來仔細的消化一下,並結合實際的開關電源電路,按工作狀態進行分析。

一定會有所收穫,論壇有乙個帖子《拜師求學反饋環路設計、調式》其中cmg回答得很好,我覺得可以參考。

最後談談關於反激電源的占空比(本人關注反射電壓,與占空比一致),占空比還與選擇開關管的耐壓有關,有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關管,如 600v或650v作為交流220v 輸入電源的開關管,也許與當時生產工藝有關,高耐壓管子,不易製造,或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關特性,像這種線路反射電壓不能太高,否則為使開關管工作在安全範圍內,吸收電路損耗的功率也是相當可觀的。 實踐證明600v管子反射電壓不要大於100v,650v管子反射電壓不要大於120v,把漏感尖峰電壓值鉗位在50v時管子還有50v的工作餘量。現在由於mos管製造工藝水平的提高,一般反激電源都採用700v或750v甚至 800-900v的開關管。

像這種電路,抗過壓的能力強一些開關變壓器反射電壓也可以做得比較高一些,最大反射電壓在150v比較合適,能夠獲得較好的綜合性能。 pi公司的top晶元推薦為135v採用瞬變電壓抑制二極體鉗位。但他的評估板一般反射電壓都要低於這個數值在110v左右。

這兩種型別各有優缺點:

第一類:缺點抗過壓能力弱,占空比小,變壓器初級脈衝電流大。優點:變壓器漏感小,電磁輻射低,紋波指標高,開關管損耗小,轉換效率不一定比第二類低。

第二類:缺點開關管損耗大一些,變壓器漏感大一些,紋波差一些。優點:抗過壓能力強一些,占空比大,變壓器損耗低一些,效率高一些。

反激電源反射電壓還有乙個確定因素

反激電源的反射電壓還與乙個引數有關,那就是輸出電壓,輸出電壓越低則變壓器匝數比越大,變壓器漏感越大,開關管承受電壓越高,有可能擊穿開關管、吸收電路消耗功率越大,有可能使吸收迴路功率器件永久失效(特別是採用瞬變電壓抑制二極體的電路)。在設計低壓輸出小功率反激電源的優化過程中必須小心處理,其處理方法有幾個:

1、 採用大乙個功率等級的磁芯降低漏感,這樣可提高低壓反激電源的轉換效率,降低損耗,減小輸出紋波,提高多路輸出電源的交差調整率,一般常見於家電用開關電源,如光碟機、dvb機頂盒等。

2、如果條件不允許加大磁芯,只能降低反射電壓,減小占空比。降低反射電壓可減小漏感但有可能使電源轉換效率降低,這兩者是乙個矛盾,必須要有乙個替代過程才能找到乙個合適的點,在變壓器替代實驗過程中,可以檢測變壓器原邊的反峰電壓,盡量降低反峰電壓脈衝的寬度,和幅度,可增加變換器的工作安全裕度。一般反射電壓在110v時比較合適。

3、增強耦合,降低損耗,採用新的技術,和繞線工藝,變壓器為滿足安全規範會在原邊和副邊間採取絕緣措施,如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶。這些將影響變壓器漏感性能,現實生產中可採用初級繞組包繞次級的繞法。或者次級用三重絕緣線繞制,取消初次級間的絕緣物,可以增強耦合,甚至可採用寬銅皮繞制。

文中低壓輸出指小於或等於5v的輸出,像這一類小功率電源,本人的經驗是,功率輸出大於20w輸出可採用正激式,可獲得最佳價效比,當然這也不是決對的, 與個人的習慣,應用的環境有關係,下次談一談反激電源用磁性芯,磁路開氣隙的一些認識,希望各位高人指點。

反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態,所以磁路需要開氣隙,類似於脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。為什麼開氣隙的原理本人理解為:

由於功率鐵氧體也具有近似於矩形的工作特性曲線(磁滯迴線),在工作特性曲線上y軸表示磁感應強度(b),現在的生產工藝一般飽和點在400mt以上,一般此值在設計中取值應該在200-300mt比較合適、x軸表示磁場強度(h)此值與磁化電流強度成比例關係。磁路開氣隙相當於把磁體磁滯迴線向x 軸向傾斜,在同樣的磁感應強度下,可承受更大的磁化電流,則相當於磁心儲存更多的能量,此能量在開關管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路,反激電源磁芯開氣隙有兩個作用。其一是傳遞更多能量,其二防止磁芯進入飽和狀態。

反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態,不僅要通過磁耦合傳遞能量,還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心,氣隙太大可使漏感變大,磁滯損耗增加,鐵損、銅損增大,影響電源的整機效能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和,導致電源損壞

所謂反激電源的連續與斷續模式是指變壓器的工作狀態,在滿載狀態變壓器工作於能量完全傳遞,或不完全傳遞的工作模式。一般要根據工作環境進行設計,常規反激電源應該工作在連續模式,這樣開關管、線路的損耗都比較小,而且可以減輕輸入輸出電容的工作應力,但是這也有一些例外。 需要在這裡特別指出:

由於反激電源的特點也比較適合設計成高壓電源,而高壓電源變壓器一般工作在斷續模式,本人理解為由於高壓電源輸出需要採用高耐壓的整流二極體。由於製造工藝特點,高反壓二極體,反向恢復時間長,速度低,在電流連續狀態,二極體是在有正向偏壓時恢復,反向恢復時的能量損耗非常大,不利於變換器效能的提高,輕則降低轉換效率,整流管嚴重發熱,重則甚至燒毀整流管。由於在斷續模式下,二極體是在零偏壓情況下反向偏置,損耗可以降到乙個比較低的水平。

所以高壓電源工作在斷續模式,並且工作頻率不能太高。 還有一類反激式電源工作在臨界狀態,一般這類電源工作在調頻模式,或調頻調寬雙模式,一些低成本的自激電源(rcc)常採用這種形式,為保證輸出穩定,變壓器工作頻率隨著,輸出電流或輸入電壓而改變,接近滿載時變壓器始終保持在連續與斷續之間,這種電源只適合於小功率輸出,否則電磁相容特性的處理會很讓人頭痛

反激開關電源變壓器應工作在連續模式,那就要求比較大的繞組電感量,當然連續也是有一定程度的,過分追求絕對連續是不現實的,有可能需要很大的磁芯,非常多的線圈匝數,同時伴隨著大的漏感和分布電容,可能得不償失。那麼如何確定這個引數呢,通過多次實踐,及分析同行的設計,本人認為,在標稱電壓輸入時,輸出達到50%~60%變壓器從斷續,過渡到連續狀態比較合適。或者在最高輸入電壓狀態時,滿載輸出時,變壓器能夠過渡到連續狀態就可以了。

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