单端反激式开关电源-主电路设计(5)

2019-04-08 20:34

根据应用场合,确定功率是在表3-1的哪个功率范围内。从符合要求的磁心制造厂商中,选择尺寸最接近或稍大一点的磁心。

表3-1 输出功率与大致的磁心尺寸的关系

确磁心尺寸选择方法2

这种方法首先假设变压器是单绕组。每增加一个绕组并考虑安全规则要求,就需要增加绕线面积和磁心尺寸。它将综合影响磁心的“窗口利用因数”。在确定基本的单绕组电感磁心尺寸时,可用这个窗口利用因数来调整。

第一步是确定单绕组电感的磁心尺寸。这可以通过式(3-3)来求得。

30.68Poudtw?10 WaAc? (3-3)

Bmaxf式中dw—— 一次绕组的导线截面积,单位为cir mil或in2;

Bmax——工作时的最大磁通密度,单位为G; f ——工作频率;

Pout——电源的总输出功率。

用MKS(米—千克—秒)制时,使用下面公式:

WaAc?0.68Poutdw (3-4)

Bmaxf式中dw——一次绕组的导线截面积,单位为cm2;

Bmax——工作时的最大磁通密度,单位为T; f ——工作频率;

Pout——电源的总输出功率,单位为W。

接下来要确定窗口利用因数,然后计算总的窗口利用因数。窗口利用因数可以从表3-2中得到。

表3-2 变压器窗口利用因数

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可以利用下面式子把这些独立的窗口利用因数综合起来:

Knet?KaKb? (3-5)

最后从下面式子可以得到变压器磁心的估计尺寸:

WaAc'?KnetWaAc (3-6)

在美国,结果是用in4来表示的,而对于一个使用公制的系统是用m4来表示。这两钟单位制的转换如下:

1m4?2.402?106in4 (3-7a) 1in4?4.162?10?7in4 (3-7b)

有些磁心制造厂家的数据手册给出了磁心参数WaAc,这和上面的计算公式是一致的。要选择最接近或稍大一点的磁心。

也可以根据磁心制造厂家确定磁心尺寸的方法进行变压器设计。其实本阶段变压器的设计只是一个粗略的估计。

3.3 反激式变压器的设计

反激式变压器的工作与正激式变压器不同。正激式变压器两边的绕组是同时流过电流的,而反激式变压器先是通过一次绕组把能量储存在磁心材料中,一次侧关断后再把能量传到二次回路。因此,典型的变压器阻抗折算和一次、二次绕组匝数比关系不能在这里直接使用。这里的主要物理量是电压、时间、能量。为了变压器可靠工作,就需要有气隙。

刚开始,在开关管导通时把一次绕组看作是一个电感器件,满足

Ipk?VinTon (3-8) Lpri22

用Ton??max代到上式中,移项整理后,用以知的电源工作参数,通过式(3-9)可f算出一次最大电感

Lpri?Vin(min)?maxIpkf (3-9)

式中?max——最大占空比(通常取0.5)。

这个电感值是在输入最小工作电压时,电源输出仍能达到额定输出电压所允许选择的最大电感值。

在开关管导通的每个周期中,存储在磁心的能量为;

Estored?2LpriIpk2 (3-10)

要验证变压器最大连续输出的功率能否满足负载所需要的最大功率,可以使用下式:

12Pin(core)?LpriIpkfop?Pout (3-11)

2 磁心制造厂商为气隙长度提供了一个Al的参数。这参数是电感磁心线上1000匝后的数据。根据设计好的电感值,绕线的匝数可以用式(3-12)计算方法确定。

Npri?1000LpriAL (3-12)

式中 Lpri—— 一次电感量,单位为mH。

如果有些特殊的带有气隙的磁心材料没有提供AL的值,可用式(3-13)。

Npri?式中lgap——气隙长度

Bmaxlgap(actual)0.4?Ipk (3-13)

Npri代表的是最大的一次电感值,这个值就是在可以预计的最小输入电压下,在一个周期内能把所需能量存储到磁心的电感值。 根据式(3-14),输出最大功率时的二次绕组匝数。

Nsec?Npri(Vout?Vfwd)(1??(max))Vin(min)?(max) (3-14)

式中Vfwd——预计的输出整流器的正向压降。

上式算出来的结果应该看作是最大的匝数,因为匝数越多的话,二次电感量也越大,因此把磁心的能量释放完需要更长的时间。这样算出来的结果往往不是整数,而很

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多磁心不支持带小数的匝数,这就要在磁心允许的范围内选取最接近这个小数的整数。

现在考虑二次绕组的安排了。设计者可能会选用自耦变压器式的二次绕组或隔离式二次绕组。由于反激式的二次侧是半波整流的,所以非中间抽头的绕组或全波整流桥是不能用的(见图3-4)。一旦要设计的二次绕组的绕法确定后,就要检查磁心的窗口面积是否能装下这个绕组。

图3-4 反激式变压器二次绕组的安排 a)有中间抽头的二次侧 b)相互隔离的二次侧

在反激式变换器中,变压器的物理结构设计是比较苛刻的。如果设计不当,会产生电压尖峰,这会影响半导体器件的可靠工作[2]。

4.单端反激式开关电源-主电路设计

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4.1 单端反激式开关电源主电路介绍

本次设计是基于前人的经验,对前人已设计好的电路加以修改而制造出来的,其电路图为图4-1。该电路用了单片开关电源TOP244Y:线性关耦合器 PC817;可调式精密并联稳压器TL431共三片集成电路。

EMI输入滤波器部分中,市电经过3.15A的保险管,再经安全电容亦称“X电容”C9和大小为22mL的共模扼流圈L1完成一次滤波。然后经2A/600V的整流桥(BR)对输入进行整流,再通过由C2、R3、VDZ、VD1构成的缓冲电路进一步降低电磁干扰。其中瞬态电压抑制器VDZ(P6KE200)和超快恢复二极管VD1(UF4005)组成初级钳制电路,能吸收泄露电感的能量,将漏极电压钳制在安全值。另外,由C2和R3构成的RC吸收回路能进一步降低电磁干扰。

这次的高频变压器采用EE25型磁心,配10引脚的骨架要留一点气隙。初级绕组采用?0.38mm漆包线绕58匝,次级绕组用4股?0.38mm漆包线并绕6匝,辅助绕组用?0.38mm漆包线绕2匝。

输出整流滤波电路由VD3、C6、C7、C8和L2构成。把C6和C7并联起来可降低滤波电容的等效电感,VD3是用20A/100V的肖特基二极管MBR20100,L2用3.3??的磁珠。而C12与R11并联在VD3两端,能防止VD3在高频开关状态下产生自激振荡。C13为安全电容也称为“Y电容”,它接在高频变压器的初、次级绕组之间,耐压值为280V。

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