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大牛獨(dú)創(chuàng):反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算

發(fā)布時(shí)間:2013-12-05 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】介紹開關(guān)電源的書籍很多,但是大都過于繁雜,學(xué)習(xí)和消化完一本書需要大量的時(shí)間精力,而即便完成了這一艱巨的任務(wù),設(shè)計(jì)者也不見得具備獨(dú)立設(shè)計(jì)一個(gè)完整電源系統(tǒng)的能力。這里筆者根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)談下反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法,并結(jié)合實(shí)例變壓器設(shè)計(jì)的詳細(xì)計(jì)算過程。

這是筆者去年做完第一個(gè)反激式電源后寫的,內(nèi)部有各個(gè)元器件選取的詳細(xì)計(jì)算公式。關(guān)于RCD鉗位的,目前還沒有非常好的計(jì)算方法,采取的是實(shí)驗(yàn)為主的方法,所以大家有好的方法,歡迎補(bǔ)充修改。

開關(guān)電源的出現(xiàn)使得使用市電的設(shè)備告別了笨重的變壓器和需要使用龐大散熱器的線性穩(wěn)壓器,電子產(chǎn)品做到了更小的體積、更輕的重量和更高的效率。但是,開關(guān)電源使得設(shè)計(jì)門檻大大提高,它要求設(shè)計(jì)者在電路和磁學(xué)上必須有深刻的理解。介紹開關(guān)電源的書籍很多,但是大都過于繁雜,學(xué)習(xí)和消化完一本書需要大量的時(shí)間精力,而即便完成了這一艱巨的任務(wù),設(shè)計(jì)者也不見得具備獨(dú)立設(shè)計(jì)一個(gè)完整電源系統(tǒng)的能力。

這里筆者根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)談下反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法,并結(jié)合實(shí)例變壓器設(shè)計(jì)的詳細(xì)計(jì)算過程。由于筆者接觸開關(guān)電源時(shí)間不長,文中疏漏與不當(dāng)之處難免,還望讀者批評(píng)指正。

1.基本反激變換器原理

在討論具體的設(shè)計(jì)步驟之前,我們有必要介紹一下反激式開關(guān)電源的原理。對(duì)于反激式開關(guān)電源,在一個(gè)工作周期中,電源輸入端先把能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能元件(通常是電感)中,然后儲(chǔ)能元件再將能量傳遞給負(fù)載。這好比銀行的自動(dòng)取款系統(tǒng),銀行工作人員每天在某一時(shí)間段向自動(dòng)取款機(jī)內(nèi)部充入一定數(shù)目的錢(相當(dāng)于電源輸入端向儲(chǔ)能元件存儲(chǔ)能量),一天中剩下的時(shí)間里,銀行用戶從取款機(jī)中將錢取走(相當(dāng)于負(fù)載從儲(chǔ)能元件中獲取能量)。在銀行工作人員向取款機(jī)充錢的時(shí)候,用戶不能從取款機(jī)中取錢;客戶正在取錢的階段,銀行工作人員也不會(huì)向存款機(jī)里面充錢。這就是反激式開關(guān)電源的特點(diǎn),任何時(shí)刻,負(fù)載不能直接從輸入電源處獲取能量,能量總是以儲(chǔ)能元件為媒介在輸入電源和負(fù)載間進(jìn)行傳遞的。

下面來看圖一,這是反激式變換器的最基本形式,也就是我們常說的buck-boost(或者flyback)拓?fù)?。?dāng)開關(guān)閉合時(shí),輸入電源加在電感L上,流過電感的電流線性上升,上升斜率就是輸入電壓與電感量的比值(在這里以及以下討論中,我們忽略了開關(guān)管的壓降,但是不忽略二極管的壓降,這將更符合后面關(guān)于離線式反激變換器的實(shí)際情況),如下式:
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在之一過程中,電能轉(zhuǎn)換成磁場能量儲(chǔ)存在電感內(nèi),電感量一定時(shí),時(shí)間越長流過電感的電流越大,電感中儲(chǔ)存的能量也就越大,電感內(nèi)部儲(chǔ)能大小如下式:
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開關(guān)閉合期間,二極管D是反偏的,輸入到輸出端沒有通路,電源輸入端和電感都不向負(fù)載提供能量。
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當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),電感需要通過維持電流的恒定來阻止磁通量的突變,但此時(shí)電源輸入端和電感之間沒有通路,所以電感兩端的電壓必須反向(原來的上正下負(fù)變?yōu)樯县?fù)下正),使得二極管D正偏導(dǎo)通,儲(chǔ)存在電感內(nèi)部的能量一方面?zhèn)鬟f給負(fù)載,另一方面裝換成電場能儲(chǔ)存在輸出電容Co當(dāng)中。電感中的電流線性下降,下降斜率為電感上電壓與電感量的比值,而此時(shí)電感上的電壓等于輸出電壓加上二極管的正向壓降,如下式:
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以上討論了一個(gè)開關(guān)周期的情況,為了電路能夠持續(xù)穩(wěn)定工作,必需滿足一定的條件,我們?nèi)匀灰糟y行自動(dòng)取款系統(tǒng)做比喻。試想,如果一天過去后,取款機(jī)里面的錢還有剩余,那么第二天銀行工作人員就必需減少充入的錢的數(shù)目,否則,取款機(jī)就肯定放不下這么多錢。電路中也是一樣,如果開關(guān)關(guān)斷的時(shí)候,電感內(nèi)部的能量沒有完全轉(zhuǎn)移出去(被負(fù)載消耗或者存入輸出電容中),那么接下來開關(guān)閉合的時(shí)間Ton就必需減小,否則周而復(fù)始的話,電感中的電流會(huì)不斷積累,最終使得電感飽和,換一句話說,為了系統(tǒng)穩(wěn)定工作,必須滿足的條件就是開關(guān)閉合期間電感的電流增加量必須等于開關(guān)斷開器件電流的減小量,即下式:
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以一個(gè)完整的周期分析,對(duì)上面的式子化簡得到:

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從上面的式子可以看出,系統(tǒng)維持穩(wěn)定工作的條件就是開關(guān)閉合時(shí)電感上的電壓與開關(guān)閉合時(shí)間的乘積等于開關(guān)關(guān)斷時(shí)電感上的電壓與開關(guān)關(guān)斷時(shí)間的乘積相等,這也就是伏秒數(shù)數(shù)守恒,這兩個(gè)乘積其中的一個(gè)叫做電感的伏秒數(shù)。從上面的一系列式子可以看出,伏秒數(shù)描述了電感中電流的變化量,實(shí)際上對(duì)應(yīng)著電感中儲(chǔ)存的能夠被利用的能量。

下面給出基本反激變換器的電感電流波形。如圖二所示,以一個(gè)周期為例,從A點(diǎn)到C點(diǎn)間,開關(guān)閉合,電感電流線性上升,在此期間電感電流即開關(guān)管電流;從C點(diǎn)到B點(diǎn),開關(guān)斷開,電感電流線性下降,在此期間電感電流即二極管電流。圖中可以看出,流過電感的平均電流等于電感的峰值電流和谷值電流的中間值。而流過開關(guān)管和二極管的平均電流可以由下式確定:
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這里引出了占空比D的概念,即開關(guān)開啟時(shí)間與開關(guān)周期的比值。從伏秒數(shù)守恒的關(guān)系式我們可以得到基本反激變換器中占空比的計(jì)算式如下:

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從圖一中,我們看到電源輸入端只與開關(guān)管相連,所以輸入電流即開關(guān)管電流,也就是開關(guān)閉合時(shí)的電感電流;輸出端只與二極管和電容相連,又因?yàn)殡娙萜鞑豢赡芰鬟^直流,所以平均輸出電流等于平均二級(jí)管電流,即有下式成立:
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最后我們給出一個(gè)很重要的定義,那就是紋波系數(shù),在不同的書籍和文獻(xiàn)中,紋波系數(shù)的定義有一定的區(qū)別,為了方便我們接下來的討論和計(jì)算,在這里將紋波系數(shù)KRF定為電感電流變化量的一半比上電感平均電流,即:
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圖二電路中,整個(gè)開關(guān)周期內(nèi),流過電感的電流始終不為零。當(dāng)輸出電流減小時(shí),相應(yīng)的電感平均電流也減小,如果開關(guān)周期、電感量以及輸入輸出電壓不變的話,電感中電流的變化量保持不變,那么,就可能出現(xiàn)電感中變化的電流大小等于或者大于平均電流兩倍的情況。這個(gè)時(shí)候,每一個(gè)周期內(nèi),開關(guān)閉合時(shí),電感電流從零開始上升,開關(guān)斷開后,電感電流會(huì)下降到零。也就是說,此時(shí)的KRF等于或者大于1,這就是我們說的臨界工作模式和斷續(xù)工作模式。相對(duì)應(yīng)的電感電流始終不為零的情況就是連續(xù)工作模式。
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在反激式變換器中,電感量取值越大,電流的變化量(紋波電流)就越小,在相同輸出電流情況下,越不容易進(jìn)入斷續(xù)模式;反之,電感量取值越小,紋波電流越大,在相同的輸出電流情況下,越容易進(jìn)入斷續(xù)工作模式。

通常在設(shè)計(jì)過程中,我們可以設(shè)定在某一輸出電流(即輸出功率)時(shí)變換器進(jìn)入臨界模式,電流大于設(shè)定值時(shí)就進(jìn)入連續(xù)工作模式,小于這一值時(shí)進(jìn)入斷續(xù)工作模式(即KRF在0到1之間)。也可以將變換器設(shè)計(jì)為一直工作在臨界模式或者斷續(xù)模式(即KRF大于等于1),特別是在單級(jí)PFC反激式變換器以及準(zhǔn)諧振反激式變換器中,這種方式應(yīng)用較多。本文以下的討論均以連續(xù)模式為例。

上面討論了基本反激變換器滿足的基本關(guān)系式,接下來一節(jié)我們開始討論隔離輸出的反激變換器原理。
(待續(xù)...)

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