反激设计最牛笔记

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【最牛笔记】大牛开关电源设计全过程笔记!反激变换器设计笔记1. 概述开关电源的设计是一份非:氖狈蚜Φ目嗖钍,需要不断地修正多个设 计变量,直到性能达到设计目标为止。本文step-by-step介绍反激变换器 的设计步骤,并以一个6.5W隔离双路输出的反激变换器设计为例,主控 芯片采用NCP1015。图1基于NCP1015的反激变换器基本的反激变换器原理图如图1所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率(1W ~ 60W )开关电源应用场合,反激变换器(Flyback Converter)是最常用的一种拓扑结构(Topology ) o简单、可靠、低成 本、易于实现是反激变换器突岀的优点。2、设计步骤 图2反激变换器设计步骤接下来,参考图2所示的设计步骤,一步一步设计反激变换器l.Stepl :初始化系统参数 输入电压范围:Vinmin_AC及Vinmax_AC 电网频率:fline (国内为50Hz ) 输出功率:(等于各路输出功率之和)(1)P。=乙门 X ^outl + ^outl X Iout2 + …初步估计变换器效率:n (低压输出时,q0.7-0.75 ,高压输0.8 ~ 0.85 )根据预估效率,估算输入功率:对多路输出,定义KL ( n )为第n路输出功率与输出总功率的比值:Kg=? ⑶单路输岀时,KL(n)二:L(范例)Stepl:初始化系统参数——输入电压范围:90?265VAC——电网频率:fiine=50Hz——输岀:(主路)Vouti=5V, louti=lA;(辅路)Vout2=15V, Iout2=0.1A则:? =乙泊心+乙*42 = 6.5皿——预估变换器的效率:n =0.8则:匕=比=&2507Kli=0.769, Kl2=0.2312. Step2 :确定输入电容CbulkCbulk的取值与输入功率有关,通常,对于宽输入电压(85-265VAC),取2-3pF/W ;对窄范围输入电压(176 ~ 265VAC ),取lpF/W即可,电容充电占空比Dch —般取0.2即可。Virm m DC毎个周期只仃T1时间段内,电网对Cbulk电容充取图3 Cbulk电容充放电一般在整流后的最小电压Vinmin.DC处设计反激变换器,可由Cbulk计算l Vinmin.DC :V =茁7 )2_恥(1-必)rmmin DC 小卞"加min AC上x(范例)Step2:确定输入电容——宽压输入,取2?3PF/W: Q业取20pF即可,实际设计中可采用15 uF+4.7pF的 两个400V高压电解电容并联。贝!J: Cbuik=19.7nFo-?…?计算整流后最小直流电压:打丽dc =』(皿3_家_缪=987V ■ Cbulk x fIine3. Step3:确定最大占空比Dmax反激变换器有两种运行模式:电感电流连续模式(CCM )和电感电流 断续模式(DCM ) o两种模式各有优缺点,相对而言,DCM模式具有更好的开关特性,次级整流二极管零电流关断,因此不存在CCM模式的二 极管反向恢复的问题。此外,同功率等级下,由于DCM模式的变压器比CCM模式存储的能量少,故DCM模式的变压器尺寸更小。但是,相比较CCM模式而言,DCM模式使得初级电流的RMS增大,这将会增大MOS管的导通损耗,同时会增加次级输出电容的电流应力。因此,CCM模式常 被推荐使用在低压大电流输出的场合,DCM模式常被推荐使用在高压小 电流输出的场合。(a).反激变换器简图(b) .CCM模式运行 (c〉?DCM模式运行图4反激变换器对CCM模式反激变换器而言,输入到输岀的电压增益仅仅由占空比决 定。而DCM模式反激变换器,输入到输出的电压增益是由占空比和负载 条件同时决定的,这使得DCM模式的电路设计变得更复杂。但是,如果 我们在DCM模式与CCM模式的临界处(BCM模式)、输入电压最低 (Vinmin.DC)、满载条件下,设计DCM模式反激变换器,就可以使问 题变得简单化。于是,无论反激变换器工作于CCM模式,还是DCM模 式,我们都可以按照CCM模式进行设计。如图4(b)所示,MOS管关断时,输入电压Vin与次级反射电压 nVo共同叠加在MOS的DS两端。最大占空比Dmax确定后,反射电压 Vor (即nVo )、次级整流二极管承受的最大电压VD以及MOS管承受的最大电压Vdsmax ,可由下式得到: (5)(6)(7)通过公式(5) (6) (7) z可知,Dmax取值越小z Vor越小,进而MOS管的应力越小,然而,次级整流管的电压应力却增大。们应当在保证MOS管的足够裕量的条件下,尽可能增大Dmax ,来降低次级整流管的电压应力。Dmax的取值,应当保证Vdsmax不超过MOS 管耐压等级的80% ;同时,对于峰值电流模式控制的反激变换器,CCM模 式条件下,当占空比超过0.5时,会发生次谐波震荡。综合考虑,对于耐 压值为700V( NCP1015 )的MOS管,设计中zDmax不超过0.45为宜。(范例)Step3:确定最大占空比DmaxNCP1015需工作于DCM模式,低压满载时,占空比最大,此时:Q =0.45-■■…由公式(5)计算反射电压:4. Step4 :确定变压器初级电感Lm对于CCM模式反激,当输入电压变化时,变换器可能会从CCM模 式过渡到DCM模式,对于两种模式,均在最恶劣条件下(最低输入电压、 满载)设计变压器的初级电感Lmo由下式决定: (8)其中,fsw为反激变换器的工作频率,KRF为电流纹波系数,其定义 如下图所示:图5流过MOS管的电流波形及电流纹波系数对于DCM模式变换器,设计时KRF = 1O对于CCM模式变换器,KRF<1 ,此时,KRF的取值会影响到初级电流的均方根值(RMS ) ,KRF越小,RMS越小,MOS管的损耗就会越小,然而过小的KRF会增大变压 器的体积,设计时需要反复衡量。一般而言,设计CCM模式的反激变换 器,宽压输入时(90~ 265VAC) ,KRF取0.25 ~ 0.5 ;窄压输入时(176 ~ 265VAC ) , KRF 取 0.4 ~ 0.8 即可。 —旦Lm确定流过MOS管的电流峰值Idspeak和均方根值Idsrms亦随之确定:ds r ms其中:】EDC3x(Z?DC)2 +(—)^(9)(10)(11)(12)设计中,需保证Idspeak不超过选用MOS管最大电流值80% ,Idsrms用来计算MOS管的导通损耗Pcond z Rdson为MOS管的导通电阻。(13)(范例)Step4:确定变压器初级电感匸冬……由公
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