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仙童资料翻译:十三个步骤教你完整设计正激双路输出开关电源,妥妥的!


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步骤一  确定系统对象

图1

线性电源范围


电压倍压电路如图1所示,通常是用于正激式电路,在普通电压输入的情况下。所以最小的线性电压是实际电压的2倍。

——线性频率fL

——最大输出功率P0

——预计功率:这是需要估计这功率转换器的效率去计算出这最大的输入电压。如果无法参考资料,设Eff=0.7~0.75,用于低电压输出的设备;设Eff=0.8~0.85,用于高电压输出的设备。

确定的估计效率,这最大的输出功率是

基于输入最大功率,选择适合的开关芯片。因为MOSFET管的两端电压是转换器的两倍电压,一个额定电压是800V的开关芯片,MOS管就可用于一般的电压输入。开关芯片的种类的额定功率已经在设计软件之内。

步骤二   确定DC电容()和DC电压范围

图2

这最大的DC电压(DC link voltage)波纹是:


Dch是链电容(DC link capacitor)占空比,如图2,通常值为0.2


用于倍压器的两个电容要串联,每个电容值是方程(2)中所需电容的2倍。

在已知的最大电压波纹,那么这最小和最大的直流链电压(DC link voltage)是:

步骤三  确定变压器重置方式和最大占空比(Dmax)

正激式开关电源一个固有的限制,在MOSFET关闭的时候,就是变压器必须重置。因此,额外的重置方案应该被纳入。

现有两个重置方案:

a. 辅绕组重置

该方案有益效能,因为能量被储存在磁化电感中,且能量会释放回输入电路中。

但是额外的绕组会使得变压器的构造更复杂。

图3

MOSFET管上最大的电压和最大占空比是:

Np和Nr和分别分别是初级(primary winding)匝数(笔者注:初级=主绕组)和辅绕组匝数。

由方程(5)(6)可得,当Dmax逐渐减少,在MOSFET管上最大的电压会跟着减少。然而,减小的Dmax导致在次边的电压应力上升。因此,在一般输入电压下,设定Dmax=0.45和Np和Nr是比较合适的。

在辅边重置电路中,开关芯片内部已经限制占空比低于50%,用于阻止磁饱和现象发生在变压器上。

b. RCD重置

图4画出带有RCD重置的正激式简化电路图。缺点是储存在磁电感中的能量被消耗。在RCD缓冲器中,不像辅绕组重置方案可以返还能量于输入电压中,但是,因为它简单,这方案广泛应用于许多预算有限的开关电源中。


这最大的电压应力和缓冲器电容电压分别为:

因为缓冲器电容电压是固定不变的,而且几乎不受输入电压影响。所以当转换器工作电压在幅度较小的情况下,MOSFET管两端电压可以低些,这是相对于辅绕组重置方案而言的。

对于辅组重置方案而言,RCD重置方案另外一个优点是:这可以把占空比设置到最大,大于50%;而相对地,MOSFET管两端因此减轻了次级的电压应力。

而相对辅边绕组重置方案而言,MOSFET两端电压较其低,从而减轻了次级的电压应力。

步骤四 确定输出电感电流的纹波因素

5 给出输出电感的电流。

这电流因素定义为:kRF=△I/2I0是最大输出电流。在大多数实际设计当中,设kRF=0.1~0.2一旦纹波因素确定,那么MOSFET管的rms电流(电流有效值如下:


检查MOSFET管最大峰值(Idspeak)是否低于开关芯片的脉冲电流(峰峰值电流)的限制.

步骤五 确定变压器合适的磁芯和最小主绕组匝数,以确防止磁芯饱和

事实上,磁芯最初的选择是受原材料所限制的,因为实在太多可变因素了。其中一种方法去选择合适的磁芯是查阅磁芯制造商的磁芯选择指南。如果没有合适的参考资料,用以下的公式作为一个开始点:


AW是空窗面积,AE是磁芯的横截面积(单位mm2 )。

确定了磁芯后,变压器主绕组最小的匝数是(能避免磁饱和):

步骤六 确定变压器各绕组匝数

首先,确定主边(初级)和反馈控制次边(次级)的匝数比,以作为参考。


NpNs1分别是主绕组的匝数和参考输出绕组匝数,Vo1是输出电压,VF1是输出端的二极管管压降。

然后,确定合适的Ns1匝数(取整数),那么Np就取比Np.min大的数值,见公式(14)。

主边电感值是:

AL-value值(电感系数)在无间隙的情况下(nH/turn2

n-th输出的匝数是


VO(n)是输出电压,而VF(n)是第n个输出(n-th)的二极管管压降。

下一步是确定VCC(笔者注:VCC是芯片端口名)绕组的匝数。VCC绕组的匝数是由不同重置方案而定。

a)辅绕组重置

若选取辅绕组重置方案,则VCC绕组线圈是:


V*CC是标称电压(nominal voltage),VFa是二极管管压降。当取用辅绕组重置方案时,因为VCC与输入电压成比例,所以应该把V*CC设为等于VCC开启电压,以此去避免在正常工作中产生过压保护。

bRCD重置

RCD重置法,VCC绕组线圈数是:


V*CC是标称电压(即额定电压nominal voltage),因为取用RCD重置方案,VCC几乎是一个常量,所以V*CC设为比VCC开启电压高2~3V。

步骤七 基于有效电流(rms current)确定每个变压器的绕线直径

n个线圈的有效电流值


IO(n)是第n个最大输出电流。

如果用辅绕组重置法,那么辅绕组的有效电流是


当绕线比较长(大于1m),电流密度通常是5A/mm2。当绕线比较短,匝数比较少时,电流密度是6~10A/mm2时,也能接受。避免选用绕线直径大于1mm的铜线,以避免涡流损耗,并且可以使得绕制线圈更容易。如果需要更大的输出电流,最好采用平行绕线法,并采用多股较细的线以减少趋肤效应。

检查一下变压器磁芯的空窗面积是否能容纳下全部绕线。要求空窗面积是:AW=AC/KAC是实际导体的面积,KF是充满系数。当用绕线管的时候,通常充满系数是0.2~0.3。

步骤八 确定输出电感的合适磁芯和匝数

当自激式开关电路有多于一个的输出口,如图7


耦合电感通常用来加强互稳压(cross regulation)——耦合电感,共用一条磁芯,分别有独自的线圈。

首先,确定耦合电感的第n个绕组与参考绕组(第一个绕组)的匝数比。

上述的匝数比一样:


然后,计算参考输出电感的电感值:


L1是最小匝数,可避免磁饱和是:


Llim是开关芯片电流限度,Ae是磁芯横截面积(单位mm2)和Bsat是磁通饱和密度(单位tesla)。如果无课查阅资料,可Bsat=0.35~0.4T。一旦NL1确定了,NL(n)就可用等式(23)求出。

步骤九 基于有效电流,确定每个电感线圈中导线的直径

n个电感线圈的有效电流是

当绕线比较长(大于1m),电流密度通常是5A/mm2。当绕线比较短,匝数比较少时,电流密度是6~10A/mm2时,也能接受。避免选用绕线直径大于1mm的铜线,以避免涡流损耗,并且可以是绕制线圈更容易。如果需要更大的输出电流,最好采用平行绕线法,并采用多股较细的线以减少趋肤效应。(笔者注:与前文有相同之处,不知道是不是原文编排有问题。)

步骤十 基于电压与电流,确定次边的二极管

n个输出整流二极管的最大电压及有效电流值:


步骤十一 在考虑电压和电流纹波情况下,确定输出电容

n个输出电容的纹波电流是:


这纹波电流应小于等于电容的纹波电流的指标值

n个输出电压纹波是:


CO(n)是第n个输出电容的电容值,而RC(n)是第n个输出电容的有效串联电阻(ESR)。有时候,这是没可能用单个输出电容满足纹波要求,因为电解电容有很高的ESR。那么,额外的LC滤波电路可以用上场。当使用额外的LC滤波器,请小心不要把拐点频率(corner frequency)设得太低,否则可能会导致系统不稳定或者束缚了带宽调节(control bandwidth)。比较合适的是把滤波器的拐点频率设为开关频率的1/10~1/5

步骤十二 设计重置电流

a)辅绕组重置法:重置二极管最大的电压和有效电流


bRCD重置:重置二极管的最大电压和有效电流是


在正常情况下,缓冲器网络的能量耗散:


Vsn是在正常情况下,缓冲器(snubber)电容电压值,Rsn是缓冲器电阻,nNp/Ns1,而COSSMOSFET管得输出电容值。基于能量的耗散,缓冲器电阻应选择合适的额定功率。

正常情况下,缓冲器电容的纹波电压是:


一般来讲,5%~10%的纹波是比较实际和合理的

步骤十三 设计反馈电路

因为开关芯片(FPS)采用电流控制模式,正如图9,反馈电路可以简化地实施,用一个电极(pole)和一个零点(zore)的补偿电路就可以表达。

对于电流连续工作模式(CCM)用开关芯片的正激式电路控制输出的转换函数是:


RL是控制输出的总的有效电阻,定义为VO12/PO。当这个电压转换器有多于一个的输出口时,直流电和低频控制输出转换函数(control-to-output transfer function)是跟所有并联负载电阻成正比,受匝数比的平方调节。

因此,总的有效电阻(RL)被用于等式(38),而不是VO1的实际负载。K是开关芯片(FPS)的电压对电流转换率,定义为k=IPK/VFB=Ilim/3,IPK是峰值漏极电流,VFB是运行状态下的反馈电压。


图10 表明CCM工作模式下控制输出转换函数的变化与负载关系。

因为CCM正激式电路天生拥有很好的线性,所以转换函数是不受输入电压变化的影响。虽然系统电极(system pole)和直流电压增益都受负载条件的变化而变化。

这个图9反馈补偿网络的转换函数是


从图10可以看出,最坏的情况是CCM正激式电路的反馈回路满负载的情况。因此,能在low line(不知什么意思)和满负载的情况下,设计一个有合适的相位和增益余量的反馈电路,那么在所有工作范围的稳定性就能得到保障。设计反馈电路的程序如下:

(a)确定交叉频率(crossover frequency)—fc。如果加入额外的LC滤波器,这交叉频率应设为低于滤波器拐点频率(cross frequency)的1/3,因为它引入了-180°的相位差。请不要将交叉频率超过滤波器的拐点,如果交叉频率太接近拐点频率,那么控制器应设计有足够的相位余量——大于90°,且忽略滤波器的影响。

(b)在fc下,确定补偿器(Wi/WZ)(自耦变压器)的直流电压增益,去抵消控制输出的增益。

(c)设置自耦变压器的零点compensator zerofzc),约为fc/3

(d)设置自耦变压器的极点compensator polefpc),大于3fc

当确定这反馈回路的原件时,这里有一些限制条件,如下:

(a)连接反馈脚(feedback pin,开关芯片的FB)的电容器(CB)是跟关机延时时间有关,当出现过载的情况。(缺公式41,和解析)



(a)其中VSD是关断反馈电压,Idelay是关断延迟电流。 这些值在data sheet中已给出。 一般来说,10?100 ms的延迟时间适合大多数实际应用。 在一些情况下,带宽是由于过载保护所需的延迟时间限制。

(b)电阻RbiasRD与光耦合器一起为KA431提供合适的工作电流同时为FPS提供反馈信号。 一般来说,最小KA431的阴极电压和电流为2.5V和1mA,分别。 因此,RbiasRD应设计为满足以下条件。


其中VOP是光电二极管正向压降,通常为1V,IFB是FPS的反馈电流,通常为1mA。 例如,对于Vo1 = 5V;Rbias<>RD<>

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