开关电源设计技术.ppt

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1、1,开关电源设计技术,2,线性电源,缺点：效率低，体积大，重量大。优点：电路简单，干扰小。,3,开关电源发展趋势,高可靠性高功率密度低待机功耗高功率因数,4,开关电源基本拓朴,BUCK 降压变换器,非隔离电源应用，典型应用如MC34063，LM2576等。,5,开关电源基本拓朴,BOOST 升压变换器,非隔离电源应用，典型应用如MC34063等。,6,开关电源基本拓朴,BUCK BOOST 极性反转变换器,非隔离电源应用，典型应用如MC34063等。,7,开关电源基本拓朴,FLYBACK 单端反激变换器,元件少，成本低，小功率电源应用很广泛，输出功率小于70W。,8,开关电源基本拓朴,FORW

2、ARD 单端正激变换器,应用于200W以下的电源。,9,开关电源基本拓朴,2 SWITCH FORWARD 双管正激变换,开关管电压应力降低，输出功率可以达到400500W，但驱动较复杂。,10,开关电源基本拓朴,ACTIVE CLAMP FORWARD 有源钳位正激变换器,能很好地实现无损吸收，能达到电源较高效率的要求，但调试困难，较少应用。,11,开关电源基本拓朴,PUSH PULL 推挽变换器,开关管电压应力大（Vin），且容易出现磁通不平衡现象，目前较少应用。,12,开关电源基本拓朴,HALF BRIDGE 半桥变换器,通过串联电容C3可以自动修正，避免磁心饱和。应用比较广泛。但C1和

3、C2体积太大，影响电源体积。,13,开关电源基本拓朴,FULL BRIDGE 全桥变换器,应用于大功率电源，控制比较复杂。,14,功率因数校正Power Factor Correction(PFC),为什么要进行功率因数校正？如何实现功率因数校正？,15,功率因数校正（PFC）,为什么要进行功率因数校正？有功功率、无功功率、视在功率之间的关系：,S视在功率，VA P有功功率，WQ无功功率，var,角为功率因数角，它的余弦(cos)是有功功率与视在功率之比即cosP/S称作功率因数。,16,功率因数校正（PFC）,无PFC的典型电路和线路波形,17,无PFC的电路对电网的影响(1)降低发电机有功

4、功率的输出。(2)降低输、变电设备的供电能力。(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。(4)造成线路高谐波成份。,功率因数校正（PFC）,无PFC的电路对元件选择的影响 1、共模电感 2、整流二极管 3、初级滤波电容,18,功率因数校正（PFC）,一类是无源功率因数校正法；另一类是有源功率因数校正法，它是通过在电网和电源装置之间串联插入功率因数校正装置，其中单相BOOST电路因具有效率高、电路简单、成本低等优点而得到广泛应用，并称之为有源功率因数校正（APFC）电路。在有源功率因数校正控制芯片中，其种类繁多，有峰值电流控制法、平均值电流控制法等。,提高功率因数的方法,19,无源功率因数校正

5、,缺点(1)功率因数不高。(2)由于工作在工频，要求电感量大，电感体积就大。（3）工作范围窄，需要开关切换。,20,功率因数校正（PFC）,PFC的实现,从上式可以看出，在正弦半波内，只要Ton是常数，Ip将和Vin成线性关系，所以Ip的平均值也将是正弦波，从而实现PFC功能。,21,公司使用的PFC芯片LT1249,功率因数校正（PFC）,22,开关电源设计方法,单端反激电源设计,1、确定系统要求：Vacmax、Vacmin、Vo、Io、Po、,2、根据输出要求选择反馈电路和偏置电压Vb：TL431或稳压管Vb推荐 15V,23,3、根据输入电压和Po确定输入电容Cin。推荐 2uF3uF/

6、W,开关电源设计方法,24,开关电源设计方法,4、根据输入电压确定反射输出电压Vor和钳位齐纳二极管电压Vclo。设定反射电压：Vor135V使用200V钳位齐纳二极管，Vclo 200V P6KE200A,25,5、按所希望的工作模式和电流波形设定初级电流波形参数Kp。对于通用输入（AC85V265V）设定Kp0.4。,开关电源设计方法,26,开关电源设计方法,27,开关电源设计方法,6、根据Vmin和Vor确定 Dmax 推荐设定：Dmax 0.4。,7、计算初级峰值电流Ip,连续模式（Kp 1）,不连续模式（Kp 1）,28,开关电源设计方法,8、计算初级有效值值电流Irms,连续模式（

7、Kp 1）,不连续模式（Kp 1）,29,开关电源设计方法,9、根据交流输入电压Vac，Po和选择开关元件（PI）,10、计算变压器初级电感Lp,连续模式,不连续模式,30,开关电源设计方法,11、根据fs和Po选择磁芯和骨架，并从磁芯骨架产品目录中确定Ae，Le，Al，和Bw。以上数据查表得到。,12、设定初级绕组层数L和次级绕组圈数Ns。开始时用L2开始时每伏输出电压，用Ns0.6匝0.8匝/VL和 Ns可以调整,31,开关电源设计方法,13、计算初级绕组匝数Np和偏置绕组匝数Nb。,计算初级匝数：,计算偏置绕组匝数：,校核最大磁通密度Bm和气隙长度，可以调整L和Ns或磁芯/骨架。,32,

8、14、计算次级峰值电流Isp。,开关电源设计方法,15、计算次级有效值电流Isrms。,连续模式（大）,不连续模式：,根据上面计算结果确定次级绕组导线直径。,33,开关电源设计方法,16、确定次级和偏置绕组最大反向峰值电压PIVs，PIVb。,次级绕组最大反向峰值电压PIVs,偏置绕组最大反向峰值电压PIVb,34,开关电源设计方法,17、确定次级整流管和偏置绕组整流管。整流管额定反向耐压：Vr 1.25 PIVs 整流管额定电流：Id 3Io,35,开关电源设计方法,18、确定次级输出电感L和滤波电容C。次级输出电感L：采用3.3uH 滤波电容：低ESR 多电容并联使用,36,19、确定输入

9、整流桥,开关电源设计方法,额定反向电压：,额定有效值电流：ID 2IACRMS,无功率因数电路时PF取0.5。,37,单端反激电源典型波形,次级整流二极管波形,38,单端反激电源介绍,单端反激 动画演示：topology.swf,39,变压器设计,软磁磁芯特点：较高的导磁率，低的矫顽力，高的电阻率。导磁率高，在一定的线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能有较高的磁感应强度，线圈就能承受较高的外加电压，因此在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞回环面积小，则铁耗也小。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。,40,变压器设计,磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即

10、当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。动画演示：magnetic,磁性材料的磁化曲线：,41,变压器设计,变压器的主要作用：电气隔离；磁耦合传送能量；变比不同，达到升压或降压。,为什么自己设计变压器 主要是涉及的参数太多，如：功率，电压，电流，频率，温度，电感量，变比，漏电感，磁材料参数、铜损耗，铁损耗 等,42,变压器设计,独立绕组,43,变压器设计,堆叠绕组,44,变压器设计,变压器的结构,45,变压器线径计算以每平方毫米通过5A电流计算，考虑趋肤效应，使用

11、多股线或铜带。（交流电通过导体时，各个部分的电流密度不均匀，导体内部电流密度小，导体表面电流密度大趋肤）,变压器设计,变压器加工图纸的要求 首先变压器电气性能标示完整；其次初步估算窗口面积，考虑可制造性；最后图纸完整性和可阅读性（制造商能读懂）。,46,电源设计技术,安规设计 安全间距，漏电流，阻燃材料选择等。可靠性设计 应用成熟电路，电子元件的选用，降额设计（电阻），热设计等。可维护性设计 方便生产、维修等。,47,PCB布局和走线技巧 地线环路尽量小（举例：AD23次级地线走线）变压器次级环路尽量小（环路等效电感感会折算到初级）电容引脚走线 散热器的放置 电位器的放置。,电源设计技术,48,电源设计技术,开关电源的最佳布置的流程 a)放置变压器或电感；b)布置功率开关管电流环路；c)布置输出整流器电流环路；d)把控制电路与交流功率电路连接；e)布置输入环路和输入滤波器；f)布置输出负载环路和输出滤波器。,49,电源设计技术,冗余备份技术1、串联2、并联 1+1 N+1 串联电阻技术 串联二极管技术 均流技术（UC3902）,50,谢 谢！,