开关电源设计案例

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技术要求:输入电压Vin:90-253Vac

输出电压Vo:27.6V

输出电流Io:6A

输出功率Po:166W

效率η:0.85

输入功率Pin:195W

一、输入滤波电容计算过程:

上图为整流后滤波电容上电压波形,在最低输入电压下,如果我们想在滤波电容上得到的电压Vdc为115V,则从上图可以得到:

Vpk=90*1.414=127V

Vmin=Vdc-(Vpk-Vdc)=103V

将电源模块等效为一个电阻负载的话,相当于在T3时间内电容对恒定功率负载进行放电,电容电压降低(Vpk-Vmin)V。

Idc*T3=C*△V

其中:

△V=Vpk-Vmin=127-103=24V

关键部分在T3的计算,T3=t1+t2,t1为半个波头,时间比较好算,对于50Hz的交流来说,t1=5mS,然后就是计算t2,其实t2也很好计算,我们知道交流输入电压的公式为

Vx=Vpksinθx,根据已知条件,Vx=103V,Vpk=127V,可以得到θx=54度,所以t2=54*10ms/180=3mS,T3=t1+t2=8mS。

C=1.7*8/24=0.57mF=570uF

二、变压器的设计过程

变压器的设计分别按照DCM、CCM、QR两种方式进行计算,其实QR也是DCM的一种,不同的地方在于QR的工作频率是随着输入电压输出功率的变化而变化的。

对于变压器磁芯的选择,比较常用的方法就是AP法,但经过多次具体设计及根据公司常用型号结合,一般可以直接选择磁芯,象这个功率等级的反激,选择PQ3535的磁芯即可。磁芯的参数如下:AE=190mm2,AL=4300nH,Bmax≥0.32T

1)DCM变压器设计过程:

开关频率选择80K,最大占空比选择0.48,全范围DCM,则在最低输入电压Vdc下,占

空比最大,电路工作在BCM 状态,根据伏秒平衡,可以得到以下公式,

Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),

从而计算反射电压为Vor=95V

匝比 n=Vor/(Vo+Vf)=3.32 Vf 为整流二极管压降

计算初级匝数

计算副边匝数 Ns=Np/n=6.32,选择7匝,

则原边匝数调整为 Np=3.32*7=23匝

计算辅助绕组匝数,输出电压变化范围按照20-27.6V 设计,要求在20V 输出下辅助绕组能正常供电,所以,辅助绕组选择4匝。

初级电感量 Po=0.5L*I*I*F/η I=Vinmin*Dmax/(L*F)

将各个参数代入,得到L 值 L=78uH 初级电流峰值:

A F L D Vdc Ipk L 9.81080107848.0115max 36=****=**=

-

初级电流有效值:A D Ipk I L L RMS 6.33max =*=

次级电流有效值:A D n Ipk Irms L

3.123max 1=-**= 根据电流有效值,可以选择变压器线径,根据匝数绕电感后,调整气息使电感量满足要求,即可得到合适的变压器。

以下黄色字体部分,是根据batteryli 提到,对于DCM ,变压器的△B 值可以适当选的大一些,从而降低匝数减小漏感,可以减小尖峰。因此按照△B=0.2设计的变压器。

开关频率选择80K ,最大占空比选择0.48,全范围DCM ,则在最低输入电压Vdc 下,占空比最大,电路工作在BCM 状态,根据伏秒平衡,可以得到以下公式,

Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),

从而计算反射电压为Vor=95V

匝比 n=Vor/(Vo+Vf)=3.32 Vf 为整流二极管压降

计算初级匝数

计算副边匝数 Ns=Np/n=4.8,选择5匝,

则原边匝数调整为 Np=3.32*5=17匝

计算辅助绕组匝数,输出电压变化范围按照20-27.6V 设计,要求在20V 输出下辅助绕组能正常供电,所以,辅助绕组选择3匝。

初级电感量 Po=0.5L*I*I*F/η I=Vinmin*Dmax/(L*F)

将各个参数代入,得到L 值 L=78uH

初级电流峰值:

A F L D Vdc Ipk L 9.81080107848.0115max 36=****=**=

-

初级电流有效值:A D Ipk I L L RMS 6.33max =*=

次级电流有效值:A D n Ipk Irms L

3.123max 1=-**= 根据电流有效值,可以选择变压器线径,根据匝数绕电感后,调整气息使电感量满足要求,即可得到合适的变压器。

2)CCM 变压器设计过程:

CCM 变压器的设计,必须首先确定一个负载点,在该状态下,变压器工作在BCM 状态下,如果负载继续增加则进入CCM ,如果负载减小,则进入DCM ,一般情况下,我会选择最低输入电压下额定负载的70%为BCM 状态。

70%负载情况下,输出功率为P 0.7=27.6*6*0.7=116W ,因此峰值电流为

A D V P I dc PK 94.485

.0*48.0*11511622max 7.07.0=*=***=η, 从这个时刻,如果继续增加负载电流,变压器进入CCM 状态,占空比不变,所以,峰峰值电流也就是这个值,因此ΔI=4.94A

满载情况下,输入平均电流

A V p I dc in in 7.1115

195=== 设峰值电流为I PK 则 (I PK +I PK -4.94)×D/2=in I

I PK =6A

根据△I 占Ipk 的比例,确定△Bmax ,△Bmax/Bmax=△I/Ipk 得到△Bmax=4.94*0.32/6=0.26T ,选择△B 为0.18T ,计算变压器原边匝数

根据伏秒平衡,可以得到以下公式,

Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),

从而计算反射电压为Vor=95V

匝比 n=Vor/(Vo+Vf)=3.32 Vf 为整流二极管压降

副边匝数 Ns=18/3.32=5.4,选择6匝,

原边匝数调整为 Np=3.32*6=20

计算辅助绕组匝数,输出电压变化范围按照20-27.6V 设计,要求在20V 输出下辅助绕组能正常供电,所以,辅助绕组选择4匝。

根据△I=Vdc*Dmax/Lp*F ,可以得到变压器原边电感值