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反激式开关电源设计的思考四-反激式开关电源设计应遵循的规则

      反激式开关电源设计的思考四
    -反激式开关电源设计应遵循的规则

             王佰营   徐丽红

(www.wbymcs51.blog.bokee.net)

  由于反激式开关电源的特殊性,在设计时要特别考虑的问
题就多一些,归纳起来有如下几点:
 一、任何时刻开关管上所承受的电压都要低于它所能够承受
   的最大电压,并且要有足够的安全裕量;
    以此为出发点,就确定了变压器的变化;
    Ucemax = Uinmax + N·Uo + Upk + Uy
     式中:Ucemax-开关管所能承受的最大电压
       N-变比初级匝数Np / 次级匝数Ns
       Uin-直流输入电压最大值
       Uo-输出电压
       Upk-漏感所产生的电压
       Uy-电压裕量

   此式很重要一点,就是确定了变比N,变比一确定一系列
   问题就确定下来;比如:
       反射电压:VoR  = N·Vo;
       占空比:       D  =   VoR /( Vin +VoR);
       导通时间:  Ton =   D·T
   变比一定要选择合适,以使电路达到优化;若使用双极型
   晶体管对其基电极的控制很重要,因为它影响着Vcemax的
   大小:Vces>Vcer>Vceo;在ce间承受最高电压时最好保证
   be结短接或者反偏,此时晶体管就可承受较高的反偏电压.
 二、任何时刻都应保证磁芯不饱和;
   由于反激式开关变压器的特殊性,磁芯饱和问题在反激式
   变换器的设计中尤为重要。一旦磁芯饱和,开关管瞬间就
   会损坏。为防止磁芯饱和反激式开关变压器磁芯一般都留
   气隙,显著扩大磁场强度的范围,但仅靠气隙并不能完全
   解决磁芯饱和的问题,由磁感应定律很容易得出:
 
      由(1)式知:
   磁感应强度与输入电压和导通时间有关。在输入  电压一
   定时,由反馈电路保证Ton的合适值。
   在工作过程中,根据磁饱和的形式分两种情况:
   一种是:一次性饱和:
   当反馈环路突然失控时,在一个周期内导通一直  持续,
   直到过大的Ip使磁芯饱和而使开关管立即  损坏;
   另一种是:逐次积累式饱和:
   磁芯每个周期都有置位与复位动作,反激式开关  电源磁
   芯置位是由初级绕组来实现,磁芯复位是由  次级绕组和
   输出电路来实现。当电路等设计不当时,  每次磁芯不能
   完全复位,一次次的积累,在若干周期内磁芯饱和。就像
   吹气不一样,一口气吹破就相当磁芯一次性饱和;每吹一
   次,就排气,但每次排气量都比进气量少一点,这样循环
   几次后,气球就会被撑破的;若每次充排气量相同,气球
   就不会破的,磁芯也是如此,如下图:

  
   磁芯从a→b→c为置位,从c→d→a为复位,每个周期都要
   回到a,磁芯就不会饱和。对于反激式开关电源的断续模
   式,磁芯复位一般是不成问题的。 

 三、始终保持变换器工作于一个模式如CCM或DCM;不要在两
   个模式之间转换,这两种模式不同,对反馈回路的调节
   电路要求也不同,在考虑某一种模式而设计的调节电路,   
   如运行到另一模式时易引起不稳定或者性能下降。
 四、保证最小导通时间不接近双极性开关管的存储时间;(
     MOSFET管例外)
   在设计反激式开关电源时,特别在开关电源   频率较高
   、直流输入电压最高,负载又较轻  时,开关导通时间
   Ton最小,若这个时间接近或小于双极性晶体管的存储时     
   间(0.5μs~1.0μs)时,极易造成开关管失控,而使磁
   芯饱和。此时就要重新审视开关频率的选择,或能否工作
   于如此高电压或者通过调节占空比来适应。或者选用其
    他电路拓扑。
 五、不要将变换器的重要元件的参数选得接近分布参数;具
  体来说,电阻不要太大,电容器和电感器不要太小。
(1)许多反激式开关电源都有一个振荡频率,由IC芯片提供
     ,如UC3842,由RC决定,当把R选择太大,C太小时,就   
     易使稳定性特别差;如电容C小得接近分布参数,也就是
    说 取掉该电容由线路板及其它元件间的分布参数而形成
    的容值都和所选的电容容值差不多;或者所选电阻太大以
    至于线路板上的漏电流所等效的阻值都和所选的电阻大小
    差不多;这将 造成工作不稳定,如温度或湿度变化时其
    分布参数也跟着变  化,严重影响振荡的稳定性。R一般
    不要大于1M欧,C一般不  要小于22PF。
(2)反激式开关电源的输出功率如下式:(DCM)
 
   注意:由于笔误,应为:U2=U*U,D2=D*D
   由(2)式可知:
    在电流断续模式时,当电压和频率固定的情况下,输出功
    率和变压器的初级电感成反比。即要增加功率就要减小初
    级绕组的电感量。反激式开关变压器的特殊性:当开关管
    导通时变压器相当于仅有初级绕组的一个带磁芯的电感器
    ,当这个电感器小到一定值时就不可太小了,当小至和分
    布电感值差不多时,这样变压器的参数就没有一致性,工
    作稳定性差,可能分布参数的变化都会使整个电感值变化
    一少半,电路的可靠性就无从谈起。初级电感值至少应是
    分布电感的10倍以上。
(3)同样道理,磁芯的气隙也不可选的太少,太小的话,磁
    芯稍微的变动(如热胀冷缩)对气隙来说都显得占的比例
   很大,这样的变压器就无一致性可言,更无法批量生产。
 六、反激式变换器的输出滤波电容比起其它拓扑形式的电路
     所受的冲击更大,它的选择好坏对整个电源的性能及寿命
     有举足轻重的作用。选择时,一般是按纹波电压要求初
     选电容值,用电容的额定纹波电流确定电容值,这样比
     较安全稳妥。当然,耐压值和温度等级也要足够。
 七、降低损耗,遏制温升,提高效率,延长寿命
     开关电源内部的损耗主要分四个方面:
(1)开关损耗  如:功率开关,驱动;
(2)导通损耗  如:输出整流器,电解电容中电阻损耗;
(3)附加损耗  如:控制IC,反馈电路,启动电路,驱动电
     路;
(4)电阻损耗  如:预加负载等;
     在反激式开关电源中,功率开关和驱动以及输出整流部
     分占损耗的90%多,磁性元件占5%,其它占5%; 损耗
     直接影响效率,更影响电源的稳定性和工作寿命。损耗
     都以发热而表现出来,晶体管和电容和磁性元件都对温
     度很敏感;下面看一下温度的影响:
(1)温度每升高10℃,电解电容的寿命就会减半
(2)在高温和反向电压接近额定值时,肖特基二极管的漏电
     很严重,就像阴阳极通路一样;
(3)通用磁性材料,从25℃到100℃饱和磁感应强度下降30%
    左右;在这里,磁性材料的损耗虽然说占比例很小但是它
    对整个开关电源的影响非常大。比如在正常工作时,设计
    的最大磁通密度偏大,由于温升的原因将使饱和磁感应强
    度下降,再加上反馈回路的延迟效应而使导通时间加长,
    极易使磁芯饱和,瞬间开关管损坏。在此设计时,最好保
    证铜耗接近于磁耗,初级绕组的铜耗接近于次级绕组的铜
    耗以达到最优化的设计防止磁芯过渡温升。
(4)MOSFET管,每升高25℃,栅极阀值电压下降5%;MOSFET
    管的最大节点温度时150℃,节点温度的理想值为105℃,
    最高不要超过125℃;MOSFET管,Rds随温度的升高而增大.
(5)双极型晶体管,随温度的升高,Vce而减小,在环境温度
    较高或接近最高结温时,晶体管的实际最高耐压会有所下
    降,并且漏电流会更进一步增加,很易造成热损耗。所以
    ,在设计时,尽可能降低元件本身损耗而造成的温升,也
    要注意远离热源,不因外界原因而造成温升。更要优化设
    计减小损耗,提高效率,延长元器件及整个电源的工作寿
    命。

 

关于单端自激式(RCC)反激开关电源的简单调试请点击:

         单端自激式(RCC)反激开关电源的简单调试

关于单端自激式(RCC)反激开关电源的设计请点击:

       ST公司自激式开关电源设计一

          ST公司自激式开关电源设计二

          ST公司自激式开关电源设计三

      关于单端反激开关电源磁芯选择请点击:

       单端反激式开关电源磁芯尺寸和类型的选择

 关键词:开关电源 反激 设计 规则

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评论 (15条) 发表评论

  • wby
    wby : 这可能是由于反射电压的影响,还有二极管后您可能没有接滤波电容,这时的电压中有脉动的成分,也就是有交流成分,并且不是50Hz,应该是开关频率,万用表测非50Hz,已经不准确了。这个二极管我不知道它的特性,我的经验是选快速的二极管。不可选用普通二极管,否则会发热的。只有用示波器才可看到真实情况,但不要用示波器直接测,我是用电阻分压后测的,分压电阻阻值不可太小,会影响开关管C极波形的,在测量时,示波器最好用隔离变压器供电,保证仪器安全;变频器不好隔离,更有注意人身安全。

    2011-08-26 21:30

  • eee (游客) : 王工,谢谢您的无私分享, 我有个问题想请教一下。 我们设计了一个380伏交流输入(整流后540)的开关电源, 在整流后的母线DC+后面加了一个正向阻断二极管HCM108, 然后DC+输入到变压器原边, 这个电路的整体工作挺好, 5、15,24,等电压都正常, 但阻断二极管的电压比母线升高了48伏, 这是什么原因造成的?谢谢!

    2011-08-26 02:34

  • wby
    wby : D = VoR /( Vin +VoR)这个公式就是根据磁恢复原则(在一个周期中磁通量的变化应该不变:导通时升多少,截止时就要降多少,否则,不断积累就会出问题;就像水管子进多少水就要出多少水,否则,水管子要么撑爆,要么水越来越少,最后停止流动)推导出来的。

    2011-08-23 21:26

  • wby
    wby : 只要满足Ton+Toff=Ts,D = VoR /( Vin +VoR)这个公式就可以用;与Vin是否最小无关,就看您想计算什么,以及您想达到什么设计目标。

    2011-08-23 21:16

  • yinjin168_2008@163.com (游客) : 公式占空比 D = VoR /( Vin +VoR)是不是有问题呀?我参考过其它资料说Vin是直流输入电压最小值!而上述是最大值!王工这个到底是什么回事呀?是不是有什么条件的?

    2011-08-22 16:14

  • wby
    wby : 反激式开关电源的工作模式主要取决于初级电感量、输入电压和输出功率大小;我们所能做的只有控制电感量:DCM方式时L=Vinmin*Vinmin*Dmax*Dmax*Ts/(2*Pinmax),注意验证短路时的情况;CCM时:L=Vinmax*Vinmax*Dmin*Dmin*Ts/(2*Pinmin);

    2009-08-20 19:39

  • 谷红呈
    谷红呈 : 怎样让反激式开关电源工作在一种模式下?

    2009-08-17 21:54

  • 谷红呈 (游客) : 写得不错!

    2009-08-14 20:25

  • 谷红呈 (游客) : 写得不错!

    2009-08-14 20:25

  • 何生
    何生 : 我是peterhe,以下的问题是我问的,请帮忙回答。 谢谢!

    2008-04-21 15:17

  • 何生
    何生 : 你好!

    2008-04-21 15:14

  • P (游客) : 另外我在"反激式开关电源设计的思考五"当中提的一个问题,你能帮我回答一下吗? 谢谢!

    2008-04-21 15:08

  • peterhe (游客) : * 在电流断续模式时,当电压和频率固定的情况下,输出功率和变压器的初级电感成反比。即要增加功率就要减小初级绕组的电感量。* 你的这个观点我有点疑问: 不用减少Lp也没问题呀,只不过初级可能会由DCM模式转换到CCM模式.

    2008-04-21 15:03

  • wby
    wby : 谢谢: 注意:由于笔误:U2=U*U,D2=D*D

    2008-04-20 19:58

  • peterhe (游客) : 你的公式(2)有问题吧?!我怎么推导不出来。

    2008-04-20 11:08

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