开关电源之反激式开关电源设计专题解析课件.ppt

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1、现代电力电子技术,研究生课程,教师： 潘三博电话： 18019248792邮箱：,（新能源发电）,8 开关电源,8.1 开关电源的结构 8.2 开关电源的控制方式 8.3 开关电源的应用,8 开关电源引言,在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需要5V、3.3V、2.5V等，模拟电路需要12V、15V等，这就需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求电源装置能达到一定的稳压精度，还要能够提供足够大的电流。 线性电源和开关电源 图1所示为线性电源，先用工频变压器降压，然后经过整流滤波后，由线性调压得到稳定的输出电压。 图2所示为开关电源，先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然

2、后由高频变压器降压、再整流滤波。 开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取代了线型电源，成为电子设备供电的主要电源形式。,图1 线性电源的基本电路结构,图2 半桥型开关电源电路结构,8 开关电源的结构,图3 开关电源的能量变换过程,交流输入的开关电源 交流输入、直流输出的开关电源将交流电转换为直流电。 整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，较为先进的开关电源采用有源的功率因数校正(Power Factor Correction - PFC)电路。 高频逆变变压器高频整流电路是开关电源的核心部分，具体的电路采用的是隔离型直流直流变流电路。 高性能开

3、关电源中普遍采用了软开关技术。 可以采用给高频变压器设计多个二次侧绕组的方法来实现不同电压的多组输出，而且这些不同的输出之间是相互隔离的，但是仅能选择1路作为输出电压反馈，因此也就只有这1路的电压的稳压精度较高，其它路的稳压精度都较低，而且其中1路的负载变化时，其它路的电压也会跟着变化。,图4 多路输出的整流电路,开关电源的结构,直流输入的开关电源 也称为直流直流变换器(DC-DC Converter)，分为隔离型和非隔离型，隔离型多采用反激、正激、半桥等隔离型电路，而非隔离型采用Buck、Boost、Buck-Boost等电路。 负载点稳压器(POL-Point Of the Load re

4、gulator) 仅仅为1个专门的元件（通常是一个大规模集成电路芯片）供电的直流直流变换器。 计算机主板上给CPU和存储器供电的电源都是典型的POL。 非隔离的直流直流变换器、尤其是POL的输出电压往往较低，为了提高效率，经常采用同步Buck (Sync Buck)电路，该电路的结构为Buck，但二极管也采用MOSFET，利用其低导通电阻的特点来降低电路中的通态损耗，其原理类似同步整流电路。,图5 a)同步降压电路,图6 b)同步升压电路,8 开关电源的结构,图7 通信电源系统,分布式电源系统 在通信交换机、巨型计算机等复杂的电子装置中，供电的路数太多，总功率太大，难以用一个开关电源完成，因此

5、出现了分布式的电源系统。 如图7，一次电源完成交流直流的隔离变换，其输出连接到直流母线上，直流母线连接到交换机中每块电路板，电路板上都有自己的DC-DC变换器，将48V转换为电路所需的各种电压；大容量的蓄电池组保证停电的时候交换机还能正常工作 。 一次电源采用多个开关电源并联的方案，每个开关电源仅仅承担一部分功率，并联运行的每个开关电源有时也被成称为“模块”，当其中个别模块发生故障时，系统还能够继续运行，这被称为“冗余”。,8 开关电源的控制方式,图8 开关电源的控制系统,图9 电流模式控制系统的结构,典型的开关电源控制系统如图10-26 所示，采用反馈控制，控制器根据误差e来调整控制量vc。

6、 电压模式控制 图8 所示即为电压模式控制，仅有一个输出电压反馈控制环。 其优点是结构简单，但有一个显著的缺点是不能有效的控制电路中的电流。电流模式控制 在电压反馈环内增加了电流反馈控制环，电压控制器的输出信号作为电流环的参考信号，给这一信号设置限幅，就可以限值电路中的最大电流，达到短路和过载保护的目的，还可以实现恒流控制。,开关电源的控制方式,图10 峰值电流模式控制的原理,峰值电流模式控制 峰值电流模式控制系统中电流控制环的结构如图10a所示，主要的波形如图10b所示。 基本的原理：开关的开通由时钟CLK信号控制，CLK信号每隔一定的时间就使RS触发器置位，使开关开通；开关开通后iL上升，

7、当iL达到电流给定值iR后，比较器输出信号翻转，并复位RS触发器，使开关关断。,a),b),开关电源的控制方式,图11 平均电流模式控制的原理,a),b),峰值电流模式控制的不足：该方法控制电感电流的峰值，而不是电感电流的平均值，且二者之间的差值随着M1和M2的不同而改变，这对很多需要精确控制电感电流平均值的开关电源来说是不能允许的；峰值电流模式控制电路中将电感电流直接与电流给定信号相比较，但电感电流中通常含有一些开关过程产生的噪声信号，容易造成比较器的误动作，使电感电流发生不规则的波动。平均电流模式控制 平均电流模式控制采用PI调节器作为电流调节器，并将调节器输出的控制量uc与锯齿波信号uS

8、相比较，得到周期固定、占空比变化的PWM信号，用以控制开关的通与断。,开关电源的应用,开关电源广泛用于各种电子设备、仪器，以及家电等，如台式计算机和笔记本计算机的电源，电视机、DVD播放机的电源，以及家用空调器、电冰箱的电脑控制电路的电源等，这些电源功率通常仅有几十W几百W；手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几W；通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达数kW数百kW；工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。 开关电源还可以用于蓄电池充电、电火花加工，电镀、电解等电化学过程等，功率可达几十几百kW

9、；在X光机、微波发射机、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电流输出的开关电源。,Converters & their power,反激式开关电源设计 Flyback converter,反激式开关电源设计,第1章、电路结构 第2章、控制器 第3章、变压器设计,第一章、电路结构,单管反激电路基本结构,双管反激电路基本结构,单管反激电路实例(S012B系列原理图),输入电路、输入端噪音滤波电路和输入过流保护电路如下所示：,输入端噪音滤波电路主要作用是防止电源对电网的干扰和防止电网对电源的干扰。电源对电网的干扰和影响的测试主要有谐波Harmonic、传导噪音Conduct、辐射噪音Radiation

10、、功率因数电网对电源的干扰测试主要是静电ESD、雷击SURGE、电压跌落Drop、电快速瞬变脉冲群EFT 输入过流保护主要是靠保险管、保险丝绕线电阻的过电流过功率熔断特性。保险管主要用在高输出功率的电源上，绕线电阻用在低输出功率的电源上。保险管重要的参数有额定电流、熔断时间、分断能力，额定电流大、熔断时间长、分断能力低，容易炸裂管壁，这在安全认证时是不允许的，因此，要尽量选择分断能力高的保险管；保险丝绕线电阻重要的参数主要是过功率熔断时间，一般加在电阻两端的电压与电流的乘积为电阻标称功率的25倍时，要在60S内熔断 保险管、保险电阻对SURGE特性的影响是非常大的。同时SURGE和安全要求又是

11、矛盾的，还要满足能效要求，因此，保险管、保险电阻的参数选取非常关键,2、输入浪涌电流的抑制 浪涌电流主要用负温度系数热敏电阻、大功率电阻、单向可控硅，继电器等元件来抑制15W以下的电源浪涌电流小于30A15-60W电源浪涌电流小于50A60W以上的电源浪涌电流根据所选元件和电网限流规格来定3、输入交流的整流主要有桥式整流和半波整流4、直流滤波主要有电容滤波和型滤波， 型滤波多用于小功率电源的EMI的抑制。,5、输出整流主要有二极管整流和场效应管同步整流，滤波主要有电容滤波和型滤波6、保护电路 过流保护分可恢复和闭锁两种，一般设计成“”字形下垂特性； 过压保护分可恢复、闭锁和自杀式等三种 过温保

12、护分可恢复和闭锁两种 短路保护也分可恢复和闭锁两种,PWM控制芯片(Fairchildsemi的FSDM0265R),单端反激开关电源的变压器实质上是一个耦合电感，它要承担着储能、变压、传递能量等工作。下面对工作于连续模式和断续模式的单端反激变换器的变压器设计进行总结。1、已知的参数 根据需求和电路的特点确定，包括：输入电压Vin、输出电压Vout、每路输出的功率Pout、效率、开关频率fs(或周期T)、线路主开关管的耐压Vmos。2、 计算 在反激变换器中，反激电压Vf与输入电压之和不能高过主开关管的耐压，同时还要留有一定的裕量5%。最大允许的反激电压由下式确定： Vf=VMos-VinDC

13、Max-电压裕量 漏电感尖峰电压 （2.1）漏电感引起的尖峰，一般有50V-100V左右。,第二章、变压器设计,对于90-264V的输入电压范围，反激电压可按60V-80V来选取，选70V左右比较合适，反激电压选得高，初次级匝比就大，初级侧的Mosfet承受的反压就高，但温升会低一点，次级侧的整流管承受的反压会低一点，温升也会低一点，此时变压器的温升会高一点（此时开关管占空比大，在相同工作频率下变压器初级电感量比较大，需要的能量也就要多一些，变压器的温升会高一点）；反激电压选得低，匝比就小，则Mosfet承受的反压就低，但温升会高一些，次级侧的整流管承受的反压会高一些，温升也会高一些，此时变压

14、器的温升会低一些 实际设计产品时需根据所选半导体元件、变压器、结构来找一个最佳平衡点。 反激电压和输出电压的关系由原、副边的匝比确定。所以确定了反激电压之后，就可以确定原、副边的匝比了。 原、副边的匝比n=Np/Ns=Vf/（Vout +Vd） （2.2）,另外，反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态，（Vinmin一般选110V-120V）根据在稳态下，变压器的磁平衡，得下式： VinminDMax=Vf(1-DMax) DMax= Vf/ (Vinmin+ Vf) （2.3） 设在最大占空比时，当开关管开通时，原边电流为Ip1，当开关管关断时，原边电流上升到Ip。若Ip

15、1为0，则说明变换器工作于临界模式或断续模式，否则工作于连续模式。,连续模式时初级电流波形,断续或临界模式时初级电流波形,初级OSFET漏极的电压波形如下图示 对应临界模式 对应非连续模式 对应连续模式,由能量守恒，得到下式： 1/2(Ip1+Ip)DMaxVinDCMin=Pout/ (2.4) 令K= Ip1 / Ip ，则Ip1 =KIp 当K=0，则Ip1 =0，此时工作在临界或断续模式 当0K1，此时工作在连续模式 K值的选取最好是当输入电压为230V,电路工作在临界模式，即K=0,此时的效率是最高的；那么,当输入电压为90V时,电路工作在连续模式， K0.25左右。变换器的初级绕组

16、电流，初级电感量，初级匝数由以下公式可以求出 (2.5) (2.6) (2.7),为了避免磁芯饱和，应该在磁回路中加入一个适当的气隙，气隙一般大于0.01Cm，功率大，则气隙要大。由以上可得磁芯参数： (2.8) 根据求得的Ae值选择合适的磁芯，一般尽量选择窗口长宽之比比较大的磁芯，这样磁芯的窗口有效使用系数较高，同时可以减小漏感。 有了磁芯需再较正原边的匝数。根据下式： (2.9) 再根据原、副边的匝比关系可以求出副边的匝数。有时求的匝数不是整数，将副边的匝数取整后再修改原边匝数,在上式中： Lg为气隙长度，单位为cm Np为原边匝数， Ae为磁芯的截面积，单位cm2 Lp为原边电感量，单位

17、为H(亨利) Bw为工作磁通密度，单位为高斯 （Bw一般选0.7Bs以下的值，Bs是磁芯最大磁通密度，在磁芯的手册中Bs的单位是mT毫特斯拉， 1mT=10GS高斯）初级绕组电流有效值Iprms： (2.10)次级绕组电流有效值Isrms： (2.11),铜线电流密度按如下选取:(绝缘等级CALL B) 5W以下：取7.0A-9.0A/mm2 ; 5W-24W：取6.0A-8.0A/mm2 ; 24W-50W：取5.0A-7.0A/mm2 ; 50W以上：取4.0A-6.0A/mm2 甚至更小； (在变压器加有散热片时可选大一点,绕组在线槽最里面，要选小一点,在线槽最外面，可选大一点,如要求变

18、压器温升小,则电流密度要选小一点)。次级导线截面积计算也可以按输出直流每1安培需要的导线截面积0.125mm2(0.4mm)、 0.16mm2(0.45mm)、 0.196mm2(0.5mm)、 0.238mm2(0.55mm)来计算，功率大输出电流大取大值,否则取小值,如输出12V/5A，取0.238mm2(0.55mm)来计算，导线总截面积1.19mm2 ，相当于2根0.85mm导线截面积. 以上只作为参考，实际设计时要根据骨架规格,温升要求适当调整。气隙长度按如下选取：5W以下：取0.01-0.02cm; 5W-24W：取0.02-0.04cm;24W-50W：取0.03-0.05cm;

19、 50W以上：取0.03cm以上.,铜线线径按如下公式计算: (2.12)以上是考虑成本因数的一个合适选择，当磁芯截面积比较大时，气隙长度可按下限选择；截面积小，要选大一点，否则，磁芯易饱和。,S012B系列变压器设计步骤,已知条件1、输入电压Vin:90Vac-264Vac2、输出电压Vout:12V3、输出电流Iout:1.25A4、Mosfet耐压Vmos:650V5、开关频率f：67KHz6、FSDM0265R最大输出功率： 13W（密封无散热片） 20W（开放式无散热片） 以上说明IC完全能输出15W功率，在加散热片情况下做到15W是可行的,参数计算1、最大允许的反激电压 Vf=60

20、0V-373V-30V 100V=97V 选反激电压Vf为75V,则Mosfet的漏极最高电压为: 373V+100V+75V=548V617.5V,是比较安全的。2、原、副边的匝比n 次级选用3A/100V肖特基整流，则1.25A输出电流时的 正向电压Vd近似为0.6V 匝比n=Np/Ns=Vf/（Vout +Vd）=75/12.65.953、最大占空比DMax Vinmin=90V1.33=120V DMax= Vf/ (Vinmin+ Vf)=75V/(120V+75V) 0.3854、最大导通时间Ton Ton= DMaxT=DMax/f=0.385/67000 5.75uS,5、开关

21、管峰值电流Ip 6、初级绕组匝数Np 天通TP4/TP4A的磁芯Bs为5100GS，FSDM0265R有过温保护，因此Bw可选0.6Bs，则Bw=3060GS，如IC无过温保护，则要留一定的裕量，否则，在过载状态时，变压器易饱和，在饱和状态,易发生故障损坏开关管,Bw要选低一点,选(0.3-0.5)Bs; 气隙Lg选0.025cm7、初级绕组电感量Lp,8、磁芯最小Ae值 查天通EF20磁芯Ae=0.356cm20.324cm2，因此按天通EF20磁芯参数来进行下面的计算9、初级绕组匝数Np10、次级绕组匝数Ns Ns= Np/n=845.95=14.18匝14匝；则Np 83匝10、辅助绕组匝数Nf FSDM0265R的启动电压11-13V,Vcc不能超过19V,因此辅助绕组电压VCC按13.5V计算，则辅助绕组匝数NF=NsVCC/(Vout+Vd) 15匝,11、初级绕组电流有效值Iprms： 12、次级绕组电流有效值Isrms：13、初级绕组线径dp： 初级绕组在最里层，散热困难，电流密度取6.0A/mm2 ； dp=2(0.273A 6.0A/mm2 )0.50.24mm14、次级绕组线径ds： 次级绕组在最外层，散热容易，电流密度取8.0A/mm2 ； ds=2(1.63A 8.0A/mm2 )0.50.5mm,