开关电源设计与应用报告- 基于反激变换器的LED电源的分析研究 -(4)

2019-08-02 00:04

考虑到导线的发热问题,以及其他损耗问题,在这里选择导线的电流密度

j?7A/mm2。 原边中的开关管的最大漏极至源极电流(RMS值)是

IQd?RMS?max?Nt?(Vo?max?Vd)?Kc?KLINE?V2CS?REF62?R2cs?Vin?rms?min??t44.3?(30?0.4)??1?19?262?0.43?85?0.9?0.695A (4.13)

可以得到原边电流Iprms?IQd?RMS?max?0.695A

因此,可以计算出副边电流的有效最大值

Isrms?NtIsrms?4.3?0.695?2.257A (4.14)

在这里,原边需要的导线的截面积

As?Iprmsj?0.695?0.0993mm2 (4.15) 7当选取0.4mm时,小于2?,需要的股数为

Zp?Ap1??2P4?0.0993?0.79 (4.16)

1?3.14?0.424同理,副边需要的导线的截面积为

As?Isrms2.257??0.3224mm2 (4.17) j7副边导线的直径选择0.5mm时

Zs?As1??2s4?0.3224?1.64 (4.18)

1?3.14?0.524经过计算可以得到,原边使用0.4mm线,一股绕制。副边使用0.5mm线,两股并绕。

4.2 开关管的选择

4.2.1 初级开关管的选择

在反激变换器中,开关管关断的瞬间,由于二次端的耦合,此时图2.3中的3端

的电压将比1端的电压高Nt??Vo?max?Vd?,由于漏感的存在,因此还存在漏感尖峰电压Vspk,因此主开关的最大电压应力为

VQds?max?2?Vin?rms?max?Nt??Vo?max?Vd??Vspk?2?265?4.3?30.4?100?605.4V (4.19)

其中Vspk设置为100V。

VSPK是尖峰电压是由漏感造成的,取决于初级峰值电流值和漏电感值,约100V

到200V。这里Vspk设置为100V。

由公式 (4.13)可以得到IQd?RMS?max?0.695A

实际上,为了保证开关管不被击穿,在实际的设计中选择更高电流应力和电压应力的MOSFET。在这里可以选择7N65的MOS管。 4.2.2 次级续流二极管的选择

次级二极管的最大电压应力为

Vdiode?max?2?Vin?rms?max2?265?(Vo?max?Vd)??30?0.4?117.56 (4.20)

Nt4.3在次级二极管的平均状态电流最大值为

Idiode?av?max?Ipks2?4.5?Io4.5?1??4.5A (4.21) KLINE1可以选择MBR20200CT的二极管,它的耐压值为200V,能通过的最大电流为20A。

4.3 输出电容的选择

从公式(3.14)可以看出,在次级侧电流包括直流分量和交流成分。输出电流的交流分量是

IS?AC??Nt?VCS,EQ?K2LINE??t4?RCSCos2???Io?Cos2? (4.22)

最大输出纹波电流为ΔIO(峰值)

?Io?Kcr?Io (4.23)

通常KCR小于30%。LED负载有一个动态电阻R,它可以用LED单元的伏安曲线计算

出来。所以输出电压纹波?Vo是

?Vo?RLED??Io (4.24)

输出电容与输出LED容性负载并联,所以输出电压纹波

?Vo?RLED?Kcr?Io?Io?RLED1?(4???FLINE?Cout?RLED)2 (4.25)

从上面的公式,可以看出,较高的输出电容,较低的输出电流纹波。为了满足输出电流KCR? IO要求,最小输出电容C OUT_MIN是

Cout?min1?12Kcr (4.26) ?4???FLINE?RLED一个大容量输出电容是用来消除输出电流纹波,但是仍然有小的电流纹波。这个纹波将在LED上产生动态电阻。在30V 1A的输出时,通过查阅LED的伏安特性曲线,可以求出在这种情况下时,R LED?2.52Ω,由公式(4.26)可以得到

Cout?min11?1?12K2cr0.3???1997?F 4???FLINE?RLED4?3.14?50?2.52较高的输出电流纹波,所需的输出电容较高。最坏的情况是,当KCR为100%,所需的输出电容是0,这意味着最大输出电流纹波振幅(峰值)等于输出电流的平均值。输出纹波电流也取决于输出LED负载特性。较高的动态电阻RLED,较低的输出纹波电流,所需的输出电容较低。这个电容的选择为参考值,具体的电容,要按照实际情况,略有变动。因此在这里,电源所用的输出电容为2000uF。

4.4 输入电压检测电路的设计

VS引脚和VPK引脚的电压范围是从0到钳位电平3.5V。对于大多数隔离型反激变

压器的应用中,KLINE,

VS的最大值,始终设置为1。在最大输入电压 V in_rms_max时,VPK本论文中的Vs和VPK引脚的最大电压设置为3V。以图2.2中分析, VS引脚电阻分压器比例应该设定为

R63 (4.27) ?R3?R4?R5?R62?Vin?rms?max一个100pF的陶瓷电容应放置VS引脚到GND引脚之间,以避免高频率的噪音。 由于VPK引脚检测正弦波波形的峰值,需要一个低通滤波器得到正弦波形电压的平均值。所以VPK引脚的电阻分压器的比例应该设定为

R5?R63?? (4.28) ?R3?R4?R5?R622?Vin?rms?max为了降低V s和VPK引脚的电阻分压器的功率损耗,R3 + R4+ R5 + R6的总电阻应尽可能地大。

RC低通滤波器由R7和C4组成。电容C4为1μF,R7为330K。 如果R3和R4选择为1M,由公式(4.27)得到

R5?R63??3?????0.01257

R3?R4?R5?R622?Vin?rms?max22?265则R5 ? R6约为25.3k时,才可以实现求输入正弦波形的直流平均值。 Vs引脚的最大值设置为3V,由公式(4.27),Vs引脚电阻分压器比例为

R633???0.008

R3?R4?R5?R62?Vin?rms?max2?265从而可以得出R6?16.2K

因此R5?9.1K,根据经验,C3?100pF。

4.5 FB引脚检测电路的分析

VCC引脚上的辅助绕组紧密耦合初级和次级绕组,辅助绕组电压为

VAUX?NAUX??Vo?Vd? (4.29) NS在无负载或负载断开的条件下, FB端子检测到过电压时,电源会工作在打嗝模式,并保持输出电压低于最大输出电压的限制值。在正常操作中,FB引脚电压应小于阈值4V,本论文中,选用3V为FB正常工作时的电位,那么该分压器应满足

3?NAUXR18 (4.30) ??Vo?Vd??NSR17?R18FB引脚的电阻分压器用于检测输出电压,由公式(4.30)得到电阻分频器比例:

3NSR18 ?NAUX??Vo?Vd?R17?R18在这里,取R17为47K,则R18为10K。

4.6 线补偿电路的分析

MOS管的导通是由芯片内部的逻辑电路控制的,而MOS管的关断是在由CS引脚电压与

Vs给定的参考进行比较来控制的。初级峰值电流达到峰值到控制MOS管关断时,Vpk这里有一个恒定的延迟时间Td?off。这种延迟可以等价为初级峰值电流值与理想值有一定差值?Ipk,其中?Ipk满足

2?Vin?rms?sin??Lp??IpkTd?off (4.31)

不同的输入电压导致不同ΔIPK,这将导致了不同的恒定输出电流值。因此,为了减少或消除这种间隙并达到更好的输出电流的精度,线补偿电路是必要的。一个从直流母线连接到CS引脚的电阻RCOMP,可以取消该峰值电流差距 ΔIpk。补偿电路应满足:

2?Vin?rms?sin??R14?RCS?RCS??IPK?Rcomp?R14?Rcs2?Vin?rms?sin??Td?off?RCSLP (4.32)

当RCS??R14

Td?off?RcsR14? (4.33)

Rcomp?R14Lp由于延迟时间Td_off包括芯片内部延迟时间,大约为80ns。本电源设计的延迟时间取80ns,由公式(4.33),可以得到

R14?LP3.3?103?0.55?10?33Rline??R14??3.3?10?45M (4.34) ?9Td?off?Rcs80?10?0.5


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