開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)原理及全過(guò)程(一)
一、概論
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/175085.htm開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng),但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,反而高于開(kāi)關(guān)電源,這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng),這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間
電源有如人體的心臟,是所有電設(shè)備的動(dòng)力。但電源卻不像心臟那樣形式單一。因?yàn)?,?biāo)志電源特性的參數(shù)有功率、電源、頻率、噪聲及帶載時(shí)參數(shù)的變化等等;在同一參數(shù)要求下,又有體積、重量、形態(tài)、效率、可靠性等指標(biāo),人可按此去塑造和完美電源,因此電源的形式是極多的。
隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展,電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切,而電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源,進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化,率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代,進(jìn)入90年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域,程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源,更促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng),但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,反而高于開(kāi)關(guān)電源,這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng),這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。
一般電力要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。轉(zhuǎn)換的例子有:交流轉(zhuǎn)換成直流,高電壓變成低電壓,大功率中取小功率等等。
開(kāi)關(guān)電源的工作原理是:
1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;
2.通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管,將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上;
3.開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;
4.輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。
開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)全過(guò)程
1 目的
希望以簡(jiǎn)短的篇幅,將公司目前設(shè)計(jì)的流程做介紹,若有介紹不當(dāng)之處,請(qǐng)不吝指教。
2 設(shè)計(jì)步驟:
2.1 繪線路圖、PCB Layout.
2.2 變壓器計(jì)算。
2.3 零件選用。
2.4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證。
3 設(shè)計(jì)流程介紹(以DA-14B33為例):
3.1 線路圖、PCB Layout請(qǐng)參考資識(shí)庫(kù)中說(shuō)明。
3.2 變壓器計(jì)算:
變壓器是整個(gè)電源供應(yīng)器的重要核心,所以變壓器的計(jì)算及驗(yàn)證是很重要的,以下即就DA-14B33變壓器做介紹。
3.2.1 決定變壓器的材質(zhì)及尺寸:
依據(jù)變壓器計(jì)算公式
B(max) = 鐵心飽合的磁通密度(Gauss)
Lp = 一次側(cè)電感值(uH)
Ip = 一次側(cè)峰值電流(A)
Np = 一次側(cè)(主線圈)圈數(shù)
Ae = 鐵心截面積(cm2)
B(max)依鐵心的材質(zhì)及本身的溫度來(lái)決定,以TDK Ferrite Core PC40為例,100℃時(shí)的B(max)為3900 Gauss,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮零件誤差,所以一般取3000~3500 Gauss之間,若所設(shè)計(jì)的power為Adapter(有外殼)則應(yīng)取3000 Gauss左右,以避免鐵心因高溫而飽合,一般而言鐵心的尺寸越大,Ae越高,所以可以做較大瓦數(shù)的Power.
3.2.2 決定一次側(cè)濾波電容:
濾波電容的決定,可以決定電容器上的Vin(min),濾波電容越大,Vin(win)越高,可以做較大瓦數(shù)的Power,但相對(duì)價(jià)格亦較高。
3.2.3 決定變壓器線徑及線數(shù):
當(dāng)變壓器決定後,變壓器的Bobbin即可決定,依據(jù)Bobbin的槽寬,可決定變壓器的線徑及線數(shù),亦可計(jì)算出線徑的電流密度,電流密度一般以6A/mm2為參考,電流密度對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)而言,只能當(dāng)做參考值,最終應(yīng)以溫N記錄為準(zhǔn)。
3.2.4 決定Duty cycle (工作周期):
由以下公式可決定Duty cycle ,Duty cycle的設(shè)計(jì)一般以50%為基準(zhǔn),Duty cycle若超過(guò)50%易導(dǎo)致振蕩的發(fā)生。
NS = 二次側(cè)圈數(shù)
NP = 一次側(cè)圈數(shù)
Vo = 輸出電壓
VD= 二極體順向電壓
Vin(min) = 濾波電容上的谷點(diǎn)電壓
D =工作周期(Duty cycle)
3.2.5 決定Ip值:
Ip = 一次側(cè)峰值電流
Iav = 一次側(cè)平均電流
Pout = 輸出瓦數(shù)
效率
PWM震蕩頻率
3.2.6 決定輔助電源的圈數(shù):
依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系,可決定輔助電源的圈數(shù)及電壓。
3.2.7 決定MOSFET及二次側(cè)二極體的Stress(應(yīng)力):
依據(jù)變壓器的圈比關(guān)系,可以初步計(jì)算出變壓器的應(yīng)力(Stress)是否符合選用零件的規(guī)格,計(jì)算時(shí)以輸入電壓264V(電容器上為380V)為基準(zhǔn)。
3.2.8 其它:
若輸出電壓為5V以下,且必須使用TL431而非TL432時(shí),須考慮多一組繞組提供Photo coupler及TL431使用。
3.2.9 將所得資料代入 公式中,如此可得出B(max),若B(max)值太高或太低則參數(shù)必須重新調(diào)整。
3.2.10 DA-14B33變壓器計(jì)算:
輸出瓦數(shù)13.2W(3.3V/4A),Core = EI-28,可繞面積(槽寬)=10mm,Margin Tape =? 2.8mm(每邊),剩余可繞面積=4.4mm.
假設(shè)fT = 45 KHz ,Vin(min)=90V,? =0.7,P.F.=0.5(cosθ),Lp=1600 Uh
計(jì)算式:
變壓器材質(zhì)及尺寸:l
由以上假設(shè)可知材質(zhì)為PC-40,尺寸=EI-28,Ae=0.86cm2,可繞面積(槽寬)=10mm,因Margin Tape使用2.8mm,所以剩余可繞面積為4.4mm.
假設(shè)濾波電容使用47uF/400V,Vin(min)暫定90V.
評(píng)論