開關電源學習筆記

一、 開關電源常用的拓樸結構(常用的有5 種)：

一、 開關電源常用的拓樸結構(常用的有5 種)：

1、 正激電路(常用于低壓大電流，功率100 至500W 線路)

電路的工作過程：

當開關S 開通后，變壓器繞組N1 兩端的電壓為上正下負，與其耦合的N2 繞組兩端的電壓也是上正下負。因此VD1 處于通態(tài)，VD2 為斷態(tài)，電感L 的電流逐漸增長;當開關S 關斷后，電感L 通過VD2 續(xù)流，VD1 關斷。S 關斷后變壓器的激磁電流經N3 繞組和VD3 流回電源。

變壓器的磁心復位：

開關S 開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨著時間的增加而線性的增長，直到S 關斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設法使激磁電流在S 關斷后到下一次再開通的一段時間內降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復位。

正激的理想波形為：

變壓器的磁心復位時間為：

Tist=N3*Ton/N1

輸出電壓：輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下：

Uo/Ui=N2*Ton/N1*T

磁心復位過程:

2、 反激電路(常用于100W 以下)

反激電路中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是一對相互耦合的電感。

電路的工作過程：

當開關S 開通后，N1 電壓上正下負，N2 電壓下正上負，所以VD 處于斷態(tài)，N1 繞組的電流線性增長，

電感儲能增加;

當開關S 關斷后，N1 繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過N2 繞組和VD 向輸出端釋放。S關斷后的電壓為：us=Ui+N1*Uo/N2

反激電路的工作模式：

電流連續(xù)模式：當S 開通時，N2 繞組中的電流尚未下降到零，輸出電壓關系：Uo/Ui=N2*ton/N1*toff

電流斷續(xù)模式：S 開通前，N2 繞組中的電流已經下降到零，輸出電壓高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，因此反激電路不應工作于負載開路狀態(tài)。

反激電路的理想化波形：

3、 半橋電路

電路工作過程：

S1 與S2 交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui/2 的交流電壓。改變開關的占空比，就可以改變二次側整流電壓ud 的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。當 S1 導通時，二極管VD1 處于通態(tài);S2 導通時，二極管VD2 處于通態(tài); 當兩個開關都關斷時，變壓器繞組N1 中的電流為零，VD1 和VD2 都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。S1 或S2 導通時電感L 的電流逐漸上升，兩個開關都關斷時，電感L 的電流逐漸下降。S1 和S2 斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關導通時間不對稱而造成的變壓器一次側電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。

半橋電路的理想化波形:

4、 全橋電路

電路工作過程：

全橋逆變電路中，互為對角的兩個開關同時導通，同一側半橋上下兩開關交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui 的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。

全橋電路的理想化波形：

5、 推挽電路：

電路工作過程：

推挽電路中兩個開關S1 和S2 交替導通，在繞組N1 和N’1 兩端分別形成相位相反的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。S1 導通時，二極管VD1 處于通態(tài)，電感L 的電流逐漸上升;S2 導通時，二極管VD2 處于通態(tài)，電感L 的電流也逐漸上升; 當兩個開關都關斷時，VD1 和VD2 都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。S1 和S2 斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2 倍Ui; S1 和S2 同時導通，相當于變壓器一次側繞組短路，因此應避免兩個開關同時導通。

二、保險絲的選擇：

1、計算開關電源的最大輸入電流Imax=Po/(Vin(min)* η*PF),經驗上通常取Imax 的1.5 至3 倍。

2、選擇保險絲的工作電壓:(一般標準電壓額定值系列為32V、125V、250V、600V。).如果電源輸入電壓為115VAC,那么FUAE 的工作額定電壓為125VAC;如果電源輸入電壓為115VAC/230VAC,那么FUSE 的工作額定電壓為250VAC.

3、選擇FUSE 的類型:1.慢熔,2.普通,3.快熔。

4、FUSE 的安裝方式兩種:1.PIG-TAIL，2.CLIP。

三、突波吸收器的選擇：

突波吸收器的保護原理：

突波吸收器在預備狀態(tài)時，相對于受保護的電子元件而言，具有很高的阻抗(數(shù)兆歐姆) 而且不會影響原設計電路的特性。但當瞬間突波電壓出現(xiàn)(超過突波吸收器的崩潰電壓時)，該突波吸收器的阻抗會變低(僅有幾個歐姆) 并造成線路短路，也因此電子產品或較昂貴的元件受到保護。一般常用07D471K(最大允許輸入電壓AC300V，DC385V;鉗位電壓775V，鉗位電流10A;額定功耗0.25W)，通常取輸入電壓的1.4 倍即可。

四、 熱敏電阻的選擇：

電源啟動的瞬間，由于輸入端的濾波電容(即一次側濾波電容)短路，導致輸入電流很大，雖然時間很短暫，但也可能對電源產生傷害，所以必須在輸入端濾波電容之前加裝一個熱敏電阻，以限制開機瞬間輸入電流在規(guī)格之內(115V/30A，230V/60A)，但因熱敏電阻也會消耗功率，所以不可放太大的阻值(否則會影響效率)熱敏電阻包括正溫度系數(shù)PTC 和負溫度系數(shù)NTC，以及臨界溫度熱敏電阻CTR 三種。PTC：阻值隨溫度的升高而增加;NTC：阻值隨溫度的升高而減少。一般使用SCK053(3A/5Ω)，若輸入端濾波電容使用較大的值，則必須考慮將熱敏電阻的阻值變大(一般使用在大瓦數(shù)的電源上)

五、 整流二極管的選擇：

初級整流管的選擇：

最大輸入電流確定最大輸出整流電流Io(通常取最大輸入電流的2 倍以上);確定反向峰值電壓Vrrm(一般取最大輸入電壓的3 倍左右)。通常選用一般類型的整流二極管就可以了(輸入在1A 以下的通常選用1N4007)。

次級整流管的選擇：

對于次級輸出整流部分，一般要選用快恢復、超快恢復以及肖特基等反向恢復時間較短的類型二極管。最大輸出電流必須大于客戶所提供的輸出電流;Vrrm=Vo*Np/Ns。作為高頻AC-DC 或DC-DC 開關變換器輸出整流用的功率二極管，應當具有正向壓降小、反向漏電流小、反向恢復時間短等特點。

六、 開關管的選擇

a) 確定Vdss(一般取整流后最高輸入電壓的2 倍以上);

b) 確定Id(一般取最大輸入電流的2 倍以上);

c) Rdon 越小，耗散功率越小;

d) Vgs(開啟電壓，15V 為最佳)。

e) Qg 值反映了MOS 驅動的電流需求。Qg 值越大，則就要求較大電流的芯片驅動它。因MOS 是電壓驅動器件，驅動電流幾乎可以忽略，最好是越小越好。

七、 高頻變壓器的設計方法

面積乘積(AP)法：先求出磁芯窗口面積Aw 與磁芯有效面積截Ae 的乘積AP(AP=Aw X Ae,稱磁芯面積乘積)。反激變壓器需要要加氣隙。

a) 變壓器的視在功率Pt 計算：(隨線路結構不同而選用不同的計算公式)

Pt=UoIo(1+1/η)---------------------------普通線路結構

Pt=UoIo(1.414+1/η)-------------------單端正激線路結構

Pt=UoIo[(1+1/η)x1.414]---------------推挽線路結構

(效率由自己定，一般開關電源的效率在70%-90%之間，功率小的效率定小一些，而功率大的則可以定大一些)

b) 計算AP 值：

Ap=[Pt*104/(K0KfBwFsKj)]1/(1+x)

式中：

K0---------------------------窗口使用系數(shù)(K01)K0 主要與線徑、繞組數(shù)有關，一般典型值取0.4。

Kf------------------波形系數(shù)，有效值與平均值之比，正弦波時為4.44，方波時為4。

Bw-----------------工作磁通密度(T)，鎳鋅鐵氧體材質鐵芯的工作磁通密度一般取0.26 至0.3T。通常設計的鐵氧體變壓器一般功率不大時，大約為0.20--0.25T。功率比較大時，要取小一點，0.15--0.20 左右

Fs------------------開關工作頻率(HZ)，一般取75KHZ 以下，開關頻率可依據(jù)控制IC 的Rt 和Ct 值確定，通常為Fs=K/Rt*Ct(K 為一常數(shù)，不同的控制IC，K 取值不同。)

Kj------------------電流密度比例系數(shù)

各種磁芯結構常數(shù)表

鐵芯種類 Kj(允許溫升

25。C)

Kj( 允許溫升

50。C)

X

一般罐型磁芯 433 632 -0.17

鐵粉磁芯 403 590 -0.12

金屬疊片鐵芯 366 534 -0.12

C 型鐵芯 323 468 -0.14

單線圈 395 569 -0.14

帶繞鐵芯 250 365 -0.13

c) 根據(jù)AP 值，選擇相近型號磁芯：(通常AP 值加10%裕度選用)

d) 計算原邊繞組匝數(shù)Np：

Np=Vp * 104/(KfFsBwAe) 或 NP=Vp*Ton/(Ae*Bw)

式中：

Vp--------------------變壓器原邊最小輸入電壓。

Ae--------------------根據(jù)所選型號磁芯，查其數(shù)據(jù)手冊得知。

D---------------------占空比，最大以典型值0.5 為參考，而實際中常取0.35，正激的電源，占空比0.35-0.4

比較合適。

e) 計算原邊繞組電流Ip：

Ip=P0/(η*Vp)

Ipeak=Ip/[(1-0.5*Krp)*D] (Krp 一般取0.5 或0.6)

f) 計算電流密度J(A/CM2)：

J=KjAPx (電流密度J 一般取4~10A/mm2)

g) 計算原邊繞組裸線面積Axp(CM2)：

Axp=Ip/J

根據(jù)此值查詢AWG 導線規(guī)格表，可得