开关电源如何设计

开关电源设计步骤步骤1 确定开关电源的基本参数

① 交流输入电压最小值umin

② 交流输入电压最大值umax

③ 电网频率Fl 开关频率f

④ 输出电压VO(V):已知

⑤ 输出功率PO(W):已知

⑥ 电源效率η:一般取80%

⑦ 损耗分配系数Z:Z表示次级损耗与总损耗的比值,Z=0表示全部损耗发生在初级,Z=1表示发生在次级.一般取Z=0.5

步骤2 根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB

步骤3 根据u,PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin

① 令整流桥的响应时间tc=3ms

② 根据u,查处CIN值

③ 得到Vimin

确定CIN,VImin值

u(V) PO(W) 比例系数(μF/W) CIN(μF) VImin(V)

固定输入:100/115 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90

通用输入:85~265 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90

固定输入:230±35 已知 1 PO ≥240

步骤4 根据u,确定VOR、VB

① 根据u由表查出VOR、VB值

② 由VB值来选择TVS

u(V) 初级感应电压VOR(V) 钳位二极管反向击穿电压VB(V)

固定输入:100/115 60 90

通用输入:85~265 135 200

固定输入:230±35 135 200

步骤5 根据Vimin和VOR来确定最大占空比Dmax

① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON)

② 应在u=umin时确定Dmax值,Dmax随u升高而减小

步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP,KRP=IR/IP

u(V) KRP

最小值(连续模式) 最大值(不连续模式)

固定输入:100/115 0.4 1

通用输入:85~265 0.4 1

固定输入:230±35 0.6 1

步骤7 确定初级波形的参数

① 输入电流的平均值IAVG

② 初级峰值电流IP

③ 初级脉动电流IR

④ 初级有效值电流IRMS

步骤8 根据电子数据表和所需IP值 选择TOPSwitch芯片

① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10%,所选芯片的极限电流最小值ILIMIT(min)应满足:0.9 ILIMIT(min)≥IP

步骤9和10 计算芯片结温Tj

① 按下式结算:

Tj＝[I2RMS×RDS(ON)+1/2×CXT×(VImax+VOR) 2 f ]×Rθ+25℃

式中CXT是漏极电路结点的等效电容,即高频变压器初级绕组分布电容

② 如果Tj>100℃,应选功率较大的芯片

步骤11 验算IP IP=0.9ILIMIT(min)

① 输入新的KRP且从最小值开始迭代,直到KRP=1

② 检查IP值是否符合要求

③ 迭代KRP=1或IP=0.9ILIMIT(min)

步骤12 计算高频变压器初级电感量LP,LP单位为μH

步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架,查出以下参数:

① 磁芯有效横截面积Sj(cm2),即有效磁通面积.

② 磁芯的有效磁路长度l(cm)

③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2)

④ 骨架宽带b(mm)

步骤14 为初级层数d和次级绕组匝数Ns赋值

① 开始时取d＝2(在整个迭代中使1≤d≤2)

② 取Ns=1(100V/115V交流输入),或Ns=0.6(220V或宽范围交流输入)

③ Ns=0.6×(VO+VF1)

④ 在使用公式计算时可能需要迭代

步骤15 计算初级绕组匝数Np和反馈绕组匝数NF

① 设定输出整流管正向压降VF1

② 设定反馈电路整流管正向压降VF2

③ 计算NP

④ 计算NF

步骤16~步骤22 设定最大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ,进行迭代.

① 设置安全边距M,在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm,在110V/115V交流输入时M=1.5mm.使用三重绝缘线时M=0

② 最大磁通密度BM=0.2~0.3T

若BM>0.3T,需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP,使BM在0.2~0.3T范围之内.如BM<0.2T,就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值.

③ 磁芯气隙宽度δ≥0.051mm

δ＝40πSJ(NP2/1000LP-1/1000AL)

要求δ≥0.051mm,若小于此值,需增大磁芯尺寸或增加NP值.

④ 初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2

若J>10A/mm2,应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架,使J<10A/mm2.若J<4A/mm2,宜选较细的导线和较小的磁芯骨架,使J>4A/mm2也可适当增加NP的匝数.

⑤ 确定初级绕组最小直径(裸线)DPm(mm)

⑥ 确定初级绕组最大外径(带绝缘层)DPM(mm)

⑦ 根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带be(mm) be=d(b-2M)

然后计算初级导线外径(带绝缘层)DPM:DPM＝be/NP

步骤23 确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm

① 次级峰值电流ISP(A) ISP=IP×(NP/NS)

② 次级有效值电流ISRMS(A)

③ 输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)

⑤ 次级导线最小直径(裸线)DSm(mm)

⑥ 次级导线最大外径(带绝缘层)DSM(mm)

步骤24 确定V(BR)S、V(BR)FB

① 次级整流管最大反向峰值电压V(BR)S V(BR)S＝VO+VImax×NS/NP

② 反馈级整流管最大反向峰值电压V(BR)FB V(BR)FB＝VFB+ VImax×NF/NP

步骤25 选择钳位二极管和阻塞二极管

步骤26 选择输出整流管

步骤27 利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT

① 滤波电容COUT在105℃、100KHZ时的纹波电流应≥IRI

② 要选择等效串连电阻r0很低的电解电容

③ 为减少大电流输出时的纹波电流IRI,可将几只滤波电容并联使用,以降低电容的r0值和等效电感L0

④ COUT的容量与最大输出电流IOM有关

步骤28~29 当输出端的纹波电压超过规定值时,应再增加一级LC滤波器

① 滤波电感L=2.2~4.7μH.当IOM<1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈.

② 为减小L上的压降,宜选较大的滤波电感或增大线径.通常L=3.3μH

③ 滤波电容C取120μF /35V,要求r0很小

步骤30 选择反馈电路中的整流管

步骤31 选择反馈滤波电容

反馈滤波电容应取0.1μF /50V陶瓷电容器

步骤32 选择控制端电容及串连电阻

控制端电容一般取47μF /10V,采用普通电解电容即可.与之相串连的电阻可选6.2Ω、1/4W,在不连续模式下可省掉此电阻.

步骤33选定反馈电路

步骤34选择输入整流桥

① 整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2 umax

② 设输入有效值电流为IRMS,整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS.计算IRMS公式如下:

cosθ为开关电源功率因数,一般为0.5~0.7,可取cosθ＝0.5

步骤35 设计完毕

在所有的相关参数中,只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内.它们是最大磁通密度BM(要求BM=0.2T~0.3T)、磁芯的气隙宽度δ(要求δ≥0.051mm)、初级电流密度J(规定J=4~10A/mm2).这3个参数在设计的每一步都要检查,确保其在允许的范围之内.