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恒流正激式高频开关电源的设计过程解析

摘要

1、高频开关电源技能要求

2、设计过程

3、变压器设计

4、输出滤波器设计

5、复位高频开关电源电路核算

6、功率开关管挑选

7、输出二极管挑选

8、恒流输出高频开关电源电路设计

9、缓冲吸收高频开关电源电路设计

10、操控高频开关电源电路设计

11、PCB板布线

12、高频开关电源电路仿真

1、高频开关电源技能要求

选用单规矩激式高频开关电源拓扑图如下,因为它是一种小型、经济,也是高频开关电源运用较多一种,并且它功率输出在50~200W是最合适的。设计技能要求如下:

输入电压:沟通220V±10% 

输出电压UO:15V

输出电流IO:10A

 纹波电压UP:0.5V

输出动摇电流IP:±0.1A

2、高频开关电源设计过程

3、变压器设计

1、输出变压器次级电压U2核算

UL是输出扼流圈在内次级线圈的电压降,Uf是输出二极管的正向电压。

最低的次级电压U2min为:

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2、初、次级线圈核算

输入直流电压U1的最小值运用按输出高频开关电源电路核算求得的U1min值。依据中国输配电状况U1=200~253V,则变压比N为

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依据输出容量磁心尺度联系表选取EI-30。它的有用面积为S=111mm2磁心原料相当于TDK的H7C4,最大作业磁道密度Bm可查得.实际运用时的磁心温度约100℃,且要挑选能坚持线性规模的Bm,即0.3T以下。当磁心温度有100℃,作业频率200KHz时,约削减0.1T而成为 。依据线圈核算公式则

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因而次级N2 = 4,式中Bm为磁心的磁通密度(T);S为磁心的有用截面积(mm2)。初级线圈的匝数则是

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断定 。次级线圈所需求的电压U2min一定要充沛,因而要进行ton max的批改核算。

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Dmax批改结果为0.42,仍然在0.4~0.45规模内,能够持续运用以下核算。

4、输出滤波器设计

在高频开关电源中带磁心的电感器,一般选用电感线圈Lf 与输出滤波电容器Cf 构成的“L”型滤波器如下图。电感线圈对高频成分呈现很高的感抗,而电容对高频成分呈现很小容抗,已到达在高频开关电源电路中按捺纹波和滑润直流的效果。

1、输出扼流圈的电感值设计

核算流入输出扼流圈电流

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L为输出扼流圈的电感(μH); 为输出电流的10%~30%。则有

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电感L值为:

由此可见,需求11.86μH,10A的扼流圈。

2、输出滤波电容的断定

输出电容器的选定取决于输出脉动电压操控在多少毫伏。输出脉动电压 虽要依据 和输出电容器的等效串联电阻 断定,但一般规定为输出电压的0.3%~0.5%规模。

就是在200HKz规模内,需求 值在37.5m 以下电容器的。所以能够挑选20V,8200 H,则 为31m ,容许脉动电流为2.9Ams.

流向电容器的纹波电流为

3、滤波器电阻设计

要想不是输出扼流圈的电流中止而直接运用时,能够假定电阻值为Rd

则假定电阻Rd电耗为Wrd

5、复位高频开关电源电路核算

复位高频开关电源电路如图所示。开关功率管VT1接通时,变压器T1的磁通增加,磁能被贮存到T1,当VT1截止时,即放出这种受激磁的磁能下图复位线圈到T1上以在VT1截止时经过VD1把磁能反应到输入。

则磁复位串接在N3的中二极管VD1接受最大电压为那么挑选VD1额外电压为800V,这样根本符合要求的。

6、功率开关管挑选

下图为MOSFET型功率开关管,它首要具有驱动功率小,器材功率容量大;第二个显著特点是开关速度快,作业频率高,别的他的热稳定性优于GTR等长处,也是现在开关变换器广泛运用的开关器材。

依据单规矩激式变换器计开关管VT1接受最大电压公式得:

过MOSFET开关管最大电流为依据上面功率MOSFET表,能够挑选2SK2718类型。它的最高接受电压为900V,允许最大电流为2.5A,而功率损耗是40W,是上面功率最小损耗的。

7、输出二极管挑选

输出二极管有肖特基二极管(SBD),低损耗二极管(LLD)、高速二极管(FRD)。输出为低压大电流时应选用肖特基二极管,其他则选用低损耗或调整二极管。

挑选二极管时要注意挑选反向康复时间trr快的二极管。这是因为主开关元件闭合时反向流入二极管的电流会影响初级线圈开关特性并致使损耗增大。一起,输出噪声也会受很大影响的。所以输出整流二极管挑选一般准则有四点。

1、选用正向压降VDF小的整流二极管;

2、选用反向康复时间trr整流二极管;

3、选用正向康复电压VFRm整流二极管;

4、选用反向漏电流IR小整流二极管。

续流二极管VD2挑选

续流二极管VD2上的反向电压UVD2与输出变压器次级电压的最大值是相同的。依据单规矩激式变换器公式得:

流过它方向电流Ir一般看作与IO大致相同的,即 Ir=Io=10A.

可挑选低损耗二极管MBR1545 作为续流二极管它参数为,Uds=45V, IO=15A,trr<1.0ns. 

8、恒流输出高频开关电源电路设计

1、恒流输出原理

任何高频开关电源要完成恒流功用,均需对高频开关电源的输出电流进行检测取样,与电流设置值即参考值进行比较,经负反应扩大调理(P、PI、PID)。线性串联稳压是调理调整管的压降,而高频开关电源是调理变换器的脉宽(或占空比),保持输出电流的稳定。

下图是恒流操控反应体系图。图中Iref是电流设置基准;CR是电流PI调理;Kfi是电流取样反应系数;RS、Ro是电流取样电阻和负载电阻。该体系选用是电流模式操控,能够检测变换器输出电流,适当地选取反应系数Kfi, 经过P(份额)、PI(份额积分)、PID(份额积分微分器)完成恒流操控。在反应系数不变状况下,也能够经过改动电压或电流完成恒流值操控。

下图是恒流高频开关电源常用高频开关电源电路,其间采样电阻RS串联在功率回路里,作为回路电流的采样元件。它把回路电流转换成电压信号,并与基准电压Uref在扩大器中进行比较扩大,然后将其送至调整管VT的基极,驱动调整管VT对输出电流IO改变进行补偿校对。就能够完成恒流输出的。

9、缓冲吸收高频开关电源电路设计

在高频开关电源中,因为变压器的漏感、布线的引线电感存在、开关管在关断瞬间会发生很高的电压尖峰脉冲。整流快速康复二极管因为存在存储效应,反向康复过程中也会呈现很高的反向康复的碾压尖峰脉冲。这些过电压尖峰脉冲的呈现不光危及功率器材的作业安全性,并且构成很强的电磁干扰噪声。为此必须在功率器材两头设计尖峰电压缓冲吸收高频开关电源电路。缓冲高频开关电源电路图如下

从缓冲高频开关电源电路中均有电容器元件,电容器的端电压不能骤变,当MOSFET功率开关管关断是构成尖峰电压脉冲能量转移到电容器中贮存,然后电容器的储能经过电阻耗费或回来高频开关电源,起到缓冲吸收电压顶级效果。而输出二极管两头发生的反向浪涌电压一起也受到约束,这样因而反向浪涌电流就会随之而削减,以及削减损耗和可能呈现振动

10、操控高频开关电源电路设计

下面选用是UPC1094C操控高频开关电源电路。

1、振动器

振动器的振动频率fosc有接在引脚6上的守时电阻器R17与接在引脚5上的守时电容器C15决议的。当 时振动频率 。

2、发动高频开关电源电路

发动高频开关电源电路由接在引脚8上R14接上外部高频开关电源为芯片作业供给Vcc=15V高频开关电源,而接在引脚9上是经过R10接在外部高频开关电源电路供给集电极电压。

3、限流高频开关电源电路

过流维护高频开关电源电路由R18、R19 、C16组成。它们是接到引脚3上的,在正常状况下,引脚3上电压低于200mV。当呈现过流时,引脚3上的电压超越200mV的正负阀值,输出级被锁定为低电平,下个脉冲周期来之前,过流闭锁器复位,对下个周期的过电流进行检测,约束脉冲宽度。

4、过电压维护高频开关电源电路

过电压维护高频开关电源电路由光电耦合器PC1、R16组成的。当输出电压超越15V时,光电耦合器PC1动作,经过引脚2接入反应电压高频开关电源电路,使输出级锁定为低电平。

5、最大占空比的设定和软发动

最大占空比是由电阻器R14、R15分压比来断定的。为了防止变压器的磁饱满,当高频开关电源电压刚发动时,与R14并联的电容器C14上电压不能骤变,引脚1上电压为UREF,占空比为最大的。

6、输出电压操控高频开关电源电路

输出电压可经过调理R5、R6、R7组成分压高频开关电源电路断定的:

11、PCB布线

在画PCB布线时,应先断定元器材的方位,然后安置地线、高频开关电源线、再组织高速信号线,最终考虑低速信号线。

元器材的方位应按高频开关电源电压、数字及模仿高频开关电源电路、速度快慢、电流大小等进行分组,防止相互干扰。格式元器材的方位能够断定PCB连接器各个引脚的组织。一切连接器应组织在PCB的一侧,尽量防止从两边引出电缆,削减共模辐射。

1、高频开关电源

在考虑安全条件下,高频开关电源线应尽可能近地线,减小差模辐射的环面积,也有助于减小高频开关电源电路的交扰。

2、时钟线、信号线和地线方位

信号线与地线间隔较近,构成的环面积较小;这样才合理的。

3、按逻辑速度切割

当需求在高频开关电源电路板上安置快速、中速和低速逻辑高频开关电源电路时,高速的器材应按放在紧靠边际连接器规模内,而低速逻辑和存储器,应放在远离连接器规模内。这样对共阻抗耦合、辐射和交扰的减小都是有利的。

4、应防止PCB导线的不连续性

1)、迹线宽度不要骤变;

2)、导线不要俄然角落。

12、高频开关电源电路仿真

国内外高频开关电源电路仿真软件有:saber、EDA、EWB、Multisim、MATLAB、Special Puipose等,而在这次高频开关电源设计是使用Multisim高频开关电源电路仿真软件来测验高频开关电源电路的。Multisim仿真软件是继承了EWB软件的许多长处的,并且在功用和操作方法上有很大改善的。它能够完成高频开关电源电路的瞬态剖析和稳态剖析、时域剖析、器材的线性和非线性剖析、高频开关电源电路的噪声剖析和失真剖析等强壮的功用的,以帮助设计人员剖析高频开关电源电路的合理性

1、仿真原理图

2、进行各项参数与波形仿真测验

(1)、 市电输入沟通电为220V,万用表读数输入电压波形图如下:

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(2)功率开关管动身脉冲图测验:

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(3)输出稳压波形测验:

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(4)变压器经过整流后二次直流电压测验:

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(5)输出电流测验:

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(6)功率测验:

最终,经过对全体高频开关电源电路的功用和典型性能参数进行了仿真验证,仿真结果均到达预订目标,证实了方案可行性与理论剖析的正确性。

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