工程師“如何提高電源效率”
首先,需要計(jì)算好變壓器的Ap值,計(jì)算方法壇子里有很多相關(guān)的帖子,大家可以搜下,我在這里就不在贅述了。得到Ap值之后,我們就要根據(jù)電源的結(jié)構(gòu)尺寸來初步選擇變壓器,包括變壓器的高度,寬度以及長(zhǎng)度。當(dāng)電源的整體高度有限制時(shí),就需要考慮扁平型的變壓器,臥式變壓器是首選。常見的有EE系列,EC系列,ER系列的臥式變壓器,EF系列與EFD系列變壓器;如果是超薄的適配器與LED日光燈內(nèi)置電源,可以考慮平面變壓器。
其次,在選擇變壓器的時(shí)候我們要根據(jù)電路的參數(shù)與側(cè)重點(diǎn)不同,而選擇不同的變壓器。比如,在反激電源中,我們希望漏感越小越好,因?yàn)槁└写笮?huì)影響功率器件的電壓與電流應(yīng)力,同時(shí)對(duì)EMC也有不可忽視的影響,那么我們就找對(duì)漏感控制有利的變壓器,如PQ型,RM型,以及ERL型的變壓器,再加上合理的繞法,可以將漏感控制在3%以下。又如LLC電源,我們希望用變壓器的漏感來作為諧振電感,所以我們需要刻意加大漏感,選用分槽的骨架來繞制比較理想。
再次,在選擇變壓器的時(shí)候,要考慮到成本與通用性。成本不僅僅是每個(gè)企業(yè)老板關(guān)心的問題,同樣是我們廣大研發(fā)工程師最糾結(jié)的問題,除非是少數(shù)軍品級(jí)別或高檔不計(jì)成本的電源,我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候要在性能參數(shù)與成本之間找到一個(gè)平衡點(diǎn),不要刻意去追求某個(gè)參數(shù)而忽略帶來的成本影響,有時(shí)哪怕每個(gè)變壓器增加幾分錢的成本,如果批量起來,都是不可忽略的一筆開支。除非由于商業(yè)因素的考慮,希望自己的產(chǎn)品不被其它的廠商所抄襲,一般不考慮私?;蚱T的變壓器磁芯與骨架,因?yàn)榱慨a(chǎn)的時(shí)候,供貨的渠道與周期都會(huì)受到很大的制約,而通用的磁芯,無論在價(jià)格上還是在供貨渠道與周期都有很大的可選擇性。
圖片展示:
選擇變壓器的時(shí)候,還要考慮到為了符合安規(guī)標(biāo)準(zhǔn),EMC性能:
首先,要考慮變壓器骨架的繞線寬度,變壓器為了符合安規(guī)中的爬電就離要求,一般都要在繞組邊上加3mm的擋墻,那么這就縮小了變壓器骨架的可用繞線寬度;而如果不加擋墻的話,就需要使用三重絕緣線,而三重絕緣線的外徑一般比內(nèi)部的銅線直徑大0.2mm,那么,同樣的窗口面積,繞線的匝數(shù)相當(dāng)于減少了。
其次,要考慮變壓器骨架的槽深,有時(shí)為了EMC,需要在變壓器內(nèi)部加入屏蔽層,有些用細(xì)線繞,有的用銅箔繞,這些繞組無疑會(huì)增加繞組的層數(shù),也就是說可用于繞制變壓器其他繞組的槽深就減少了。
選擇變壓器還要考慮到繞組裝配工藝的影響。
很多的工程師在設(shè)計(jì)變壓器的時(shí)候,沒有考慮到裝配工藝,往往會(huì)出現(xiàn)這樣的情況:變壓器計(jì)算好之后,把參數(shù)發(fā)給變壓器廠做樣;然后,變壓器廠工程師打電話說繞不下,磁芯太緊,不好裝配,不利于量產(chǎn);最后不得不修改變壓器參數(shù);這樣無疑會(huì)延緩項(xiàng)目的進(jìn)度。所以在設(shè)計(jì)之初,我們就要考慮到變壓器磁芯窗口的誤差,以及繞線工藝、絕緣TAPE的厚度等因素,這些因素都會(huì)影響變壓器的裝配;我們?cè)谟?jì)算時(shí)應(yīng)該對(duì)這些因素給予充分考慮,留有一定的余量。
上面談了變壓器的磁芯骨架選擇考慮的問題,下面來談?wù)勛儔浩鞯睦@制方法與注意事項(xiàng)。
普通分層繞法:
一般的單輸出電源,變壓器分為3個(gè)繞組,初級(jí)繞組Np,次級(jí)繞組Ns,輔助電源繞組Nb;當(dāng)實(shí)用普通分層繞法時(shí),繞制的順序是:Np--Ns--Nb,當(dāng)然也有的是采用Nb--Ns--Np的繞法,但不常用,原因大家可以先思考下,過幾天我再分析。
此種繞法工藝簡(jiǎn)單,易于控制磁芯的各種參數(shù),一致性較好,繞線成本低,適用于大批量的生產(chǎn),但漏感稍大,故適用于對(duì)漏感不敏感的小功率場(chǎng)合,一般功率小于10W的電源中普遍實(shí)用這種繞法。
三明治繞法
三明治繞法久負(fù)盛名,幾乎每個(gè)做電源的人都知道這種繞法,但真正對(duì)三明治繞法做過深入研究的人,應(yīng)該不多。
相信很多人都吃過三明治,就是兩層面包中間夾一層奶油。顧名思義,三明治繞法就是兩層夾一層的繞法。由于被夾在中間的繞組不同,三明治又分為兩種繞法:初級(jí)夾次級(jí),次級(jí)夾初級(jí)。
先來看第一種,初級(jí)夾次級(jí)的繞法(也叫初級(jí)平均繞法)
如上圖,順序?yàn)镹p/2,Ns,Np/2,Nb,此種繞法有量大優(yōu)點(diǎn)。
由于增加了初次級(jí)的有效耦合面積,可以極大的減少變壓器的漏感,而減少漏感帶來的好處是顯而易見的:漏感引起的電壓尖峰會(huì)降低,這就使MOSFET的電壓應(yīng)力降低,同時(shí),由MOSFET與散熱片引起的共模干擾電流也可以降低,從而改善EMI;
由于在初級(jí)中間加入了一個(gè)次級(jí)繞組,所以減少了變壓器初級(jí)的層間分布電容,而層間電容的減少,就會(huì)使電路中的寄生振蕩減少,同樣可以降低MOSFET與次級(jí)整流管的電壓電流應(yīng)力,改善EMI。
第二種,次級(jí)夾初級(jí)的繞法(也叫次級(jí)平均繞法)
如上圖,順序?yàn)镹s/2,Np,Ns/2,Nb。當(dāng)輸出是低壓大電流時(shí),一般采用此種繞法,其優(yōu)點(diǎn)有二:
1、可以有效降低銅損引起的溫升:由于輸出是低壓大電流,故銅損對(duì)導(dǎo)線的長(zhǎng)度較為敏感,繞在內(nèi)側(cè)的Ns/2可以有效較少繞線長(zhǎng)度,從而降低此Ns/2繞組的銅損及發(fā)熱。外層的Ns/2雖說繞線相對(duì)較長(zhǎng),但是基本上是在變壓器的外層,散熱良好故溫度也不會(huì)太高。
2、可以減少初級(jí)耦合至變壓器磁芯高頻干擾。由于初級(jí)遠(yuǎn)離磁芯,次級(jí)電壓低,故引起的高頻干擾小。
這個(gè)是220V輸入時(shí)滿載,MOSFET的Vds的波形。
這個(gè)是260V輸入時(shí),MOSFET的Vds波形。
下面,我們大家來進(jìn)一步深入討論下這個(gè)三明治繞發(fā)對(duì)EMI的影響
首先,我們來看初級(jí)夾次級(jí)的繞法。
我們知道,變壓器的初級(jí)由于電壓較高,所以繞組較多,一般要超過2層,有時(shí)甚至達(dá)到4-5層,這就給變壓器帶來一個(gè)分布參數(shù)---層間電容,形成原理相信大家都清楚,我就不多解釋了。
當(dāng)MOSFET關(guān)斷的時(shí)候,變壓器的漏感與MOSFET的結(jié)電容以及變壓器的層間電容會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),幅度達(dá)到幾十甚至超過一百V,這對(duì)MOSFET與EMI來說都是不允許的,所以,我們?cè)黾覴CD吸收來抑制這個(gè)振蕩,達(dá)到保護(hù)MOSFET與改善EMI的目的。
上圖即為反激電源MOSFET的Vds波形。
從這個(gè)角度來說,三明治繞法是可以在一定程度上改善EMI。從另外一個(gè)角度來說,三明治繞法確實(shí)是增加了初次級(jí)的耦合面積,減少了漏感,同時(shí)又使初次級(jí)的耦合電容增加了;當(dāng)開關(guān)管反復(fù)開關(guān)時(shí),電容也會(huì)反復(fù)充放電,也就是說會(huì)引起振蕩,此振蕩正比于開關(guān)頻率,會(huì)對(duì)EMI產(chǎn)生不利的影響。 (電源網(wǎng)原創(chuàng)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處)
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