• 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
首页 > 电子设计 > 电源技术 > 电源技术 > 单片开关电源设计要点及电子数据表格

单片开关电源设计要点及电子数据表格

录入:edatop.com    点击:

1单片开关电源的设计要点

1.1电源效率的选定

开关电源效率(η)是指其输出功率(PO)与输入功率(PI)(即总功率)的百分比。需要指出,单片开关电源的效率随输出电压(UO)的升高而增加。因此,在低压输出时(UO=5V或3.3V),η可取75%;高压输出时(UO≥12V),η可取85%。在中等电压输出时(5V因电源效率η=PO/PI,故开关电源的总功耗PD=PI-PO=-PO=·PO(1)

PD中包括次级电路功耗和初级电路功耗。重要的是应知道初、次级功耗是如何分配的。损耗分配系数(Z)即反映出这种关系。

设初级功耗为PP,次级功耗为PS,则PP+PS=PD,Z=PS/PD,而1-Z=PP/PD。需要注意的是,次级功耗与高频变压器传输功率的大小有关,而初级钳位二极管的功耗应归入次级功耗之中。这是因为输入功率在漏极电压被钳位之前,已被高频变压器传输到次级的缘故。

1.2如何计算输入滤波电容的准确值

输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CIN值选的过小,会使UImin值大大降低,而输入脉动电压UR却升高。但CIN值取得过大,会增加电容器成本,而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CIN准确值的方法。

交流电压u经过桥式整流和CIN滤波,在u=umin情况下的输入电压波形如图1所示。该图是在PO=POM,fL=50Hz(或60Hz)、整流桥的响应时间tc=3ms、η=80%的情况下绘出的。由图可见,在直流高压UImin上还要叠加上一个幅度为UR的初级脉动电压,这是CIN在充放电过程中形成的。

欲获得CIN的准确值,可按下式进行计算:CIN=(2)

图1交流电压为最小值时的输入电压波形

图2正向恢复时间的电压波形

图3TOPSwitch并虻认盗性230V交流输入时各电压参数的电位分布

举例说明,在宽范围电压输入时,umin=85V。取UImin=90V,fL=50Hz,tc=3ms,假定PO=30W,η=80%,一并带入式(2)中求出CIN=84.2μF,比例系数CIN/PO=84.2μF/30W=2.8μF/W,这恰好在(2~3)μF/W允许的范围之内。

1.3初级各电压参数的电位分布情况

下面详细介绍输入直流电压的最大值UImin、初级感应电压UOR、钳位电压UB与UBM、最大漏极电压

UDmax、漏苍椿鞔┑缪U(BR)DS这6个电压参数的电位分

布情况,使读者能有一个定量的概念。

对于TOPSwitch并蛳盗械テ开关电源,其功率开

关管的漏苍椿鞔┑缪U(BR)DS≥700V,现取下限值700V,

其感应电压UOR=135V。本来初级钳位二极管的钳位电压UB只需取135V,即可将叠加在UOR上由漏感而造成的尖峰电压吸收掉,实际却不然。手册中给出UB参数值仅表示工作在常温、小电流情况下的数值。实际上钳位二极管(即瞬态电压抑制器TVS)还具有正向温度系数,它在高温、大电流条件下的钳位电压UBM要远高于UB。实验表明,二者存在下述关系:

UBM≈1.4UB(3)

这表明UBM大约比UB高40%。此外,为防止钳位二极管对初级感应电压UOR也起到钳位作用,所选用的TVS钳位电压应按下式计算:

UB=1.5UOR(4)

此外,还须考虑与钳位二极管相串联的阻塞二极管VD1的影响。VD1一般采用超快恢复二极管(SRD),其特征是反向恢复时间(trr)很短。但是VD1在从反向截止到正向导通过程中还存在着正向恢复时间(tfr),还需留出20V的电压余量。正向恢复时间定义为:给二极管施加一个正向瞬态电压,使之从电流为零的反向电压偏置状态转入正向电压偏置状态,直到管子的正向电压恢复到规定值所需要的时间间隔。设二极管正向压降的典型值为UF,这里讲的规定值即为1.1UF。正向恢复时间的电压波形如图2所示。由图可见,当给二极管加上正向瞬态电压时,管子由截止状态转变成导通状态的过程如下:管子的正向电压首先要从零上升到0.1UF,然后达到峰值电压UFM,再下降到1.1UF。规定从0.1UF恢复到1.1UF所需时间,即为正向恢复时间。需要注意,正向恢复时间(tfr)和反向恢复时间(trr)属于两个性质不同的特征参数。

考虑上述因素之后,TOPSwitch并虻淖畲舐┆苍醇

电压的经验公式应为:

UDmax=UImax+1.4×1.5UOR+20V(5)TOPSwitch并蚋飨盗性230V交流固定输入时,初级电压参数对应于波形的分布情况如图3所示。此时u=230V±35V,即umax=265V,UImax=umax≈375V,UOR=135V,UB=1.5UOR≈200V,UBM=1.4UB=280V,UDmax=675V,最后再留出25V的电压余量,因此U(BR)DS=700V。实际上U(BR)DS也具有正向温度系数,当环境温度升高时U(BR)DS也会升高,上述设计就为芯片耐压值提供了额外的余量。

1.4根据IP值选择芯片的方法

单片开关电源的极限电流最小值ILIMIT(min),均是针对室温情况下定义的。若芯片工作在比较高的温度下,其额定值应减小10%,因此通常取初级峰值电流IP=0.9ILIMIT(min)。这表明在选择芯片时,可先将IP除以0.9,转换成ILIMIT(min)值,从有关参数表中查出符合上述要求且与该数值最为接近的TOPSwitch芯片。

在PO确定之后,采用连续模式能降低IP,允许使用功率较小的芯片。若要减小磁芯及高频变压器的尺寸,应适当增加初级脉动电流IR与峰值电流IP的比值KRP。KRP的取值范围是0~1.0。KRP愈大,磁芯尺寸愈小,其代价是需采用输出功率较大的芯片。另外,增大KRP值还意味着开关电源要向不连续模式过渡,此时初级电感量LP↓,IP↑,IRMS↑,导致η↓。因此,在选择KRP值时应权衡利弊,要在减小磁芯尺寸与保证尽量高的效率这二者之间,确定最优设计方案。

2电子数据表格的结构

在用计算机设计单片开关电源时,需借助于电子数据表格才能完成。这种表格的内容以高频变压器设计为主,其它外围电路及关键元器件参数计算为辅。单路输出式开关电源的电子数据表格共分6列。A列代表输入和输出的参数。B列中是由用户输入的数据。C列为计算过程中保留的数据,这些数据可作为中间变量,在前、后设计步骤中交叉使用。D列为计算结果。E列给出的是单位(SI制)。F列是对参数的说明。

举例说明:由TOP222Y构成的7.5V、15W单片开关电源模块,其交流输入电压范围是85V~265V,电压调整率SV=±0.5%(85V~265V),负载调整率SI=±1%(负载电流从满载的10%变化到100%),输出纹波电压最大值为±50mV。表1给出该模块所对应的电子数据表格,可供读者在设计开关电源时参考。需要指出,在设计和使用电子表格时,还可根据实际电路的要求,适当增加一些参数。例如在第16行下面插入TOPSwitch的极限电流最大值ILIMIT(max)参数,并注明由此选定的芯片型号,作为新的17行,原17行就改为18行,依次顺延。表中预留出的空行也是专为插入新参数而设置的。

表1设计7.5V、15W开关电源用的电子数据表格

 ABCDEF
1输入中间过程输出单位参数说明
2参数数据保留数据计算结果 7.5V、15W开关电源
3umin85  V交流输入电压最小值
4umax265  V交流输入电压最大值
5fL50  Hz电网频率
6f100  kHz开关频率
7UO7.5  V直流输出电压
8PO15  W输出功率
9η80  电源效率
10Z0.5   损耗分配系数
11UFB10.4  V反馈电压
12tc3.2  ms整流桥响应时间
13CIN33  μF输入滤波电容
14      
15输入TOPSwitch的变量 
16UOR85  V初级绕组的感应电压
17UDS(ON)10  VTOPSwitch的漏-源导通电压
[p] 续表
18UF10.4V次级肖特基整流管正向压降
19UF20.7V反馈电路中高速开关整流管正向压降
20KRP0.92初级脉动电流IR与峰值电流IP的比例系数
21
22输入高频变压器的结构参数
23EE22铁氧体磁芯型号
24SJ0.41cm2磁芯有效横截面积
25l3.96cm有效磁路长度
26AL2.4μH/匝磁芯不留间隙时的等效电感
27b8.43mm骨架宽度
28M0mm安全边距(安全边界宽度)
29d2初级绕组层数
30NS5次级匝数
31
32直流输入电压参数
33UImin93V直流输入电压最小值
34UImax375V直流输入电压最大值
35
36初级电流波形参数
37Dmax51最大占空比(对应于umin时)
38IVAG0.20A输入电流的平均值
39IP0.74A初级峰值电流
40IR0.68A初级脉动电流
41IRMS0.32A初级有效值电流
42
43变压器初级设计参数
44LP623μH初级电感量
45NP54初级绕组匝数
46NF7反馈绕组线数
47ALG0.215μH/匝磁芯留间隙后的等效电感
48BM0.2085T最大磁通密度(BM=0.2~0.3T)
49BAC0.0959T磁芯损耗交流磁通密度(峰卜逯×0.5)
50μ1845磁芯无气隙时的相对磁导率
51δ0.22mm磁芯的气隙宽度(δ≥0.051mm)
52α16.85mm有效骨架宽度
53DPM0.31mm初级导线的最大外径(带绝缘层)
54e0.05mm估计的绝缘层总厚度(厚度×2)
55DPm0.26mm初级导线的裸线直径
56公制线径0.280mm初级导线规格
57SP0.0516mm2初级导线的横截面积
58J0.67A/mm2电流密度J=(4~10A)/mm2
59
60变压器次级设计参数
61ISP7.95A次级峰值电流
62ISRMS3.36A次级有效值电流
63IO2.00A直流输出电流
64IRI2.70A输出滤波电容上的纹波电流
65
66SSmin0.546mm2次级线圈最小横截面积
67公制线径0.900mm次级导线规格
68DSm0.91mm次级导线最小直径(裸线)
69DSM1.69mm次级导线最大直径(带绝缘层)
70NSS0.39mm次级绝缘最大厚度
71
72电压极限参数
73UDmax573V最高漏极电压估算值(包括漏感的作用)
74U(BR)S42V次级整流管最高反向峰值电压
75U(BR)FB59V反馈电路整流管的最高反向峰值电压

射频工程师养成培训教程套装,助您快速成为一名优秀射频工程师...

天线设计工程师培训课程套装,资深专家授课,让天线设计不再难...

上一篇:电流型变换器工作原理和斜坡补偿
下一篇:智能电池供电的电源系统设计

射频和天线工程师培训课程详情>>

  网站地图