基于PQ35的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1.引言
　　開(kāi)關(guān)電源從上世紀(jì)50年代問(wèn)世至今以體積小、效率高而廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信裝備等幾乎所有的電子設(shè)備。其種類(lèi)繁多、形式多樣，發(fā)展趨勢(shì)也朝著小體積、高效率、低成本的方向發(fā)展。這里介紹的3 00 W開(kāi)關(guān)電源屬于隔離型硬開(kāi)關(guān)、半橋式開(kāi)關(guān)電源，在較低電壓(1 4V)和較大電流(2 2A)輸出的條件下有很好的效率及輸出指標(biāo)，對(duì)核心器件(例如高頻變壓器)進(jìn)行了合理的參數(shù)及繞制工藝設(shè)計(jì)。

　　高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源中核心能量轉(zhuǎn)換部件，它和普通工頻變壓器一樣也是通過(guò)磁耦合來(lái)傳輸能量的。不過(guò)在這種功率變壓器中實(shí)現(xiàn)磁耦合的磁路不是普通變壓器中的硅鋼片，而是在高頻情況下工作的磁導(dǎo)率較高的鐵氧體磁芯或鈹莫合金等磁性材料，其目的是為了獲得較大的勵(lì)磁電感、減小磁路中的功率損耗，使之能以最小的損耗和相位失真?zhèn)鬏斁哂袑掝l帶的脈沖能量[1]。

　　鐵氧體磁芯有EC、EE、EDT、EP、 EPC、 EF、 EI、 PQ、 RM、 P、LP等多種型號(hào)，應(yīng)用于各種不同的要求，其中PQ型磁芯具有磁屏蔽好的優(yōu)點(diǎn)，減小了電磁干擾(EMI)的傳播，特別適用于開(kāi)關(guān)電源變壓器，在50W～1 000W范圍內(nèi)的效果較好。

　　2.用PQ35/35制作300W半橋式變換器高頻開(kāi)關(guān)電源

　　2.1 300W(14V、22A)半橋式開(kāi)關(guān)電源原理圖

　　3 00 W(1 4 V、 2 2 A)半橋式開(kāi)關(guān)電源原理圖如圖1所示。由原理圖可看出，3 00 W半橋式開(kāi)關(guān)電源主要由兩只功率管IRFP460LC、高頻變壓器PQ35/35(PC40材質(zhì))、輸出整流濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、控制電路(篇幅所限本圖未給出)以及輔助電源等組成。

　　關(guān)于半橋式開(kāi)關(guān)電源原理許多書(shū)籍已詳細(xì)說(shuō)明，本文不再嗷述，下面詳細(xì)說(shuō)明高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)和繞制工藝。

　　2.2 300W半橋式開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)與繞制

　　半橋式高頻變壓器的磁化特性工作在第一、三象限，磁通變化從一Bm到+Bm，屬于對(duì)稱(chēng)式工作變壓器，無(wú)需加氣隙。

　　(1)估算PQ35磁芯的功率容量

　　開(kāi)關(guān)電源變壓器功率容量計(jì)算式為[2]：

　　式中

　　PT--變壓器的視在功率，對(duì)于半橋式PT=(1/ η+1.4 1 4)P。，其中取效率η=8 5%，Po=300W， 則PT=777w;

　　Ko--窗口的銅填充系數(shù)，取0.5：

　　Kf--波形系數(shù)，方波時(shí)取4;

　　Fw--開(kāi)關(guān)頻率，本例為1 00KHz：

　　Bw--磁芯工作磁通密度，一般取1/3飽和磁通密度，本例采用P C 4 0材質(zhì)，飽和磁密G s=0.39T(1 00℃)， 取Bw=0.1 3T：

　　Kj--電流密度比例系數(shù)，一般取400：

　　X--常數(shù)，由所選磁芯確定，可取一0.1 2。

則A P=(7 7 7*1 04/0.5*4*1 00*1 03*0.1 3*4 00)1.14≈0.72cm4。

　　也可以由下式計(jì)算[3]：

　　式中

　　Pt--變壓器的標(biāo)稱(chēng)輸出功率,可取1.5Po為450W;

　　η--變壓器的效率,這里取85%：

　　f--開(kāi)關(guān)頻率，本例為1 00KH z：

　　Bm--磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，取1 500GS：

　　δ--漆包線(xiàn)的電流密度，1 00KHz頻率可取6A/mm2：

　　Km--窗口的銅填充系數(shù)，取0.5：

　　Kc--磁芯填充系數(shù)，可取1.0。

　　則A P=4 5 0*1 06/(2*0.8 5*1 00*1 03*1 5 00*4*0.5*1)≈0.59cm4。

　　而查表P Q 3 5/3 5的A P=4.3 c m4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足功率容量要求，之所以選PQ35也是為以后加大輸出功率做準(zhǔn)備。

　　(2)計(jì)算原邊繞組匝數(shù)

　　原邊繞組匝數(shù)可由下面公式計(jì)算：

　　式中

　　Kf--波形系數(shù)，方波時(shí)取

　　Pt--變壓器的標(biāo)稱(chēng)輸出功 4;率，可取1.5Po為4sow;

　　Fw--開(kāi)關(guān)頻率，本例為η1--變壓器的效率，這里 1ooKH z：

　　Bw--磁芯工作磁通密度，取0.1 3T;

　　Ae-- 磁芯有效面積，PQ35/35為196mm2;

　　V--變壓器原邊電壓，本例中V=250*1.3/2=1 62.5V。

則Np=1 6 2.5/4*1 00*1 08*0.1 3*1 9 6*1 0-6≈ 1 5.9，取整1 6匝。后來(lái)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，取20匝比較合適。