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开关电源设计步骤

 

步骤1 确定开关电源的基本参数
交流输入电压最小值umin
交流输入电压最大值umax
电网频率Fl  开关频率f
输出电压VOV):已知
输出功率POW):已知
电源效率η:一般取80
损耗分配系数ZZ表示次级损耗与总损耗的比值,Z=0表示全部损耗发生在初级,Z=1表示发生在次级。一般取Z=0.5
步骤2 根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB
步骤3 根据uPO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin
令整流桥的响应时间tc=3ms
根据u,查处CIN
得到Vimin
确定CIN,VImin
u(V) PO(W)
比例系数(μF/W) CIN(μF) VImin(V)
固定输入:100/115 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
通用输入:85~265 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
固定输入:230±35 已知 1 PO ≥240


步骤4 根据u,确定VORVB
根据u由表查出VORVB
VB值来选择TVS
u(V)
初级感应电压VOR(V) 钳位二极管              反向击穿电压VB(V)

固定输入:100/115 60 90
通用输入:85~265 135 200
固定输入:230±35 135 200

步骤5 根据ViminVOR来确定最大占空比Dmax

                
设定MOSFET的导通电压VDS(ON)
应在u=umin时确定Dmax值,Dmaxu升高而减小
步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRPKRP=IR/IP
u(V) KRP
最小值(连续模式) 最大值(不连续模式)
固定输入:100/115 0.4 1
通用输入:85~265 0.4 1
固定输入:230±35 0.6 1
步骤7 确定初级波形的参数
输入电流的平均值IAVG

初级峰值电流IP

初级脉动电流IR
初级有效值电流IRMS

步骤8 根据电子数据表和所需IP 选择TOPSwitch芯片
考虑电流热效应会使25下定义的极限电流降低10%,所选芯片的极限电流最小值ILIMIT(min)应满足:0.9 ILIMIT(min)≥IP
步骤910 计算芯片结温Tj
按下式结算:
Tj
[I2RMS×RDS(ON)+1/2×CXT×(VImax+VOR) 2 f ]×Rθ25
式中CXT是漏极电路结点的等效电容,即高频变压器初级绕组分布电容
如果Tj100,应选功率较大的芯片
步骤11 验算IP  IP=0.9ILIMIT(min)
输入新的KRP且从最小值开始迭代,直到KRP=1
检查IP值是否符合要求
迭代KRP=1IP=0.9ILIMIT(min)
  
步骤12 计算高频变压器初级电感量LPLP单位为μH
                
步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架,查出以下参数:
磁芯有效横截面积Sjcm2),即有效磁通面积。
磁芯的有效磁路长度lcm
磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/2)
骨架宽带bmm
步骤14 为初级层数d和次级绕组匝数Ns赋值
开始时取d2(在整个迭代中使1≤d≤2
Ns=1(100V/115V交流输入),或Ns=0.6(220V或宽范围交流输入)
Ns=0.6×(VO+VF1)
在使用公式计算时可能需要迭代
  
步骤15 计算初级绕组匝数Np和反馈绕组匝数NF
设定输出整流管正向压降VF1
设定反馈电路整流管正向压降VF2
计算NP
                    
计算NF
                    
  
步骤16~步骤22 设定最大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ,进行迭代。
设置安全边距M,在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm,在110V/115V交流输入时M=1.5mm。使用三重绝缘线时M=0
最大磁通密度BM=0.20.3T
          
  
BM0.3T,需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP,使BM0.2~0.3T范围之内。如BM0.2T,就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值。
磁芯气隙宽度δ≥0.051mm
δ
40πSJ(NP2/1000LP1/1000AL)
        
要求δ≥0.051mm,若小于此值,需增大磁芯尺寸或增加NP值。
初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2

J10A/mm2,应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架,使J10A/mm2。若J4A/mm2,宜选较细的导线和较小的磁芯骨架,使J4A/mm2;也可适当增加NP的匝数。
确定初级绕组最小直径(裸线)DPm(mm)
确定初级绕组最大外径(带绝缘层)DPM(mm)
根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带bemm
                be=d(b
2M)
然后计算初级导线外径(带绝缘层)DPMDPMbe/NP
步骤23 确定次级参数ISPISRMSIRIDSMDSm
次级峰值电流ISP(A)
ISP=IP×(NP/NS)
    
次级有效值电流ISRMS(A)
                      
    
输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)
                
次级导线最小直径(裸线)DSm(mm)
                  
次级导线最大外径(带绝缘层)DSM(mm)
                  
步骤24 确定V(BR)SV(BR)FB
次级整流管最大反向峰值电压V(BR)S
V(BR)S
VO+VImax×NS/NP
反馈级整流管最大反向峰值电压V(BR)FB
V(BR)FB
VFB+ VImax×NF/NP
  
步骤25 选择钳位二极管和阻塞二极管
步骤26 选择输出整流管
步骤27 利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT
滤波电容COUT105100KHZ时的纹波电流应≥IRI
要选择等效串连电阻r0很低的电解电容
为减少大电流输出时的纹波电流IRI,可将几只滤波电容并联使用,以降低电容的r0值和等效电感L0
COUT的容量与最大输出电流IOM有关
  
步骤2829 当输出端的纹波电压超过规定值时,应再增加一级LC滤波器
滤波电感L=2.2~4.7μH。当IOM1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠;大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈。
为减小L上的压降,宜选较大的滤波电感或增大线径。通常L=3.3μH
滤波电容C120μF /35V,要求r0很小
    
步骤30 选择反馈电路中的整流管
    
步骤31 选择反馈滤波电容
            
反馈滤波电容应取0.1μF /50V陶瓷电容器
    
步骤32 选择控制端电容及串连电阻
            
控制端电容一般取47μF /10V,采用普通电解电容即可。与之相串连的电阻可选6.2Ω1/4W,在不连续模式下可省掉此电阻。
      
步骤33选定反馈电路
      
步骤34选择输入整流桥
          
整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2  umax
设输入有效值电流为IRMS,整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS。计算IRMS公式如下:
                            
   cosθ
为开关电源功率因数,一般为0.50.7,可取cosθ0.5
  
步骤35 设计完毕
在所有的相关参数中,只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内。它们是最大磁通密度BM(要求BM=0.2T~0.3T)、磁芯的气隙宽度δ(要求δ≥0.051mm)、初级电流密度J(规定J=410A/mm2)。这3个参数在设计的每一步都要检查,确保其在允许的范围之内。



脚注信息
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