模块电源培训讲义

（5）确定变压器励磁电感Lm的大小。根据不连续模式反激拓扑即能量完全传递 的原理，有：
式中，η是变压器效率，应考虑实际情况选取，这里取值0.7。将相关数据代入， 可得：
最后，对计算结果进行检验。

问题
（1）全桥、半桥变压器应如何计算？ （2）连续模式反激变压器应如何计算？
三、电源功率电感的设计

隔离DC/DC砖块模块电源
非隔离DC/DC模块电源
3、砖块模块电源的电路拓扑


砖块模块电源主要产品的功率范围在50-250W，输出电压范围 为：1.2V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V、12V、28V，等等。同 步整流有源钳位正激变换器是主流拓扑，此外还有推挽、半 桥、全桥以及BUCK-BOOST级联等，隔离结构。 负荷点电源的主流拓扑为同步整流BUCK电路或多相同步整流 BUCK电路，它采用非隔离结构。 目前关于砖块模块电源是否会在今后普遍采用数字化控制技 术仍存在意见分歧，但负荷点电源在这方面已经走在了前面， 越来越多的非隔离模块电源趋向于采用数字控制技术以满足 更高的功率密度、更高的效率、更高的可靠性以及智能化电 源管理等复杂的电源要求。 问题： 我们的模块电源应往何处发展？
（3）由磁芯的伏秒关系，计算变压器原边匝数：
这是保证磁芯不会饱和的最小取值，为了降低磁芯损耗，以及避免开机瞬 间的双倍磁通效应导致磁芯饱和，一般取△Bw≤Bs。若取△Bw=0.35T，则：
这样，Np可取值为3，4或5等，取决于合适的匝比N。 （4）计算变压器副边匝数。根据输入电压与输出电压之间的稳态关系：
定义传递函数：
可以知道，该传递函数的波特图如右： LC电路的滤波原理就是，低于特征频率
的信号可以无衰减的通过，高于特征频率的信号， 则按-40dB/dec衰减速度进行衰减。若输入电压 是包含有各种频率成分的信号，则高频部分被衰 减，只有低频部分出现在Vo。

有源钳位
推挽
半桥
全桥
BUCK-BOOST级联
非隔离BUCK
二、电源功率变压器的设计
1、常用MnZn功率铁氧体材料特性

磁滞曲线
磁感应强度B与磁场强度H的关系 除在真空中和在磁性材料中小磁化场 下具有线性关系外一般具有非线性关 系即具有所谓磁滞回线性质。 右图是一个典型的磁滞曲线，其中， Bs为饱和磁化强度，Br为剩余磁化强 度，Hc为矫顽力，Hs为饱和磁化场， μ i为初始磁导率。不同磁性材料的磁 滞回线表现形式不一样，Bs、Br、Hc、 Hs都不一样。 以天通（TDG）磁芯型号为例，用于开关电源的MnZn功率铁氧体材料主要 有TP2、TP3、TP4、TP4A、TP5等，其中又以TP4材质应用比较广泛。 TP4材质在25℃下的饱和磁通密度为Bs=510mT，剩磁Br=100mT，矫顽力 Hc=14A/m，功率损耗Pcv=600kW/m3（@100kHz、200mT正弦波），而在100 ℃ 下的饱和磁通密度为Bs=390mT，剩磁Br=55mT，矫顽力Hc=9A/m，功率损耗 Pcv=410kW/m3（@100kHz、200mT正弦波）。参数对照表如下：
这样，Np可取值为10、11或12等，取决于合适的匝比N。 （4）计算变压器副边匝数。要保证电路工作于不连续状态，根据磁芯的伏秒关 系，应有： 将相关数据代入，可得：N≥2.95。这样，可确定原边匝数Np=10，副边匝数 Ns=3，匝比为3.33；或者原边匝数Np=12，副边匝数Ns=4，匝比为3。
模块电源培训
DC模块部 2009年11月13日
内容概要
1、DC/DC砖块模块电源概述 2、电源功率变压器的设计 3、电源功率电感的设计 4、电源反馈控制电路的设计 5、问题讨论
一、DC/DC砖块模块电源概述
1、开关电源的供电结构



开关电源的供电结构主要有三种，分别为集中式结构、分布 式结构(DPA)、中间总线结构(IBA) 。 集中式结构，由一个集中的电源变换器产生所需各种电压等级的 输出电压，分别给各负荷供电。由于它成本低廉，至今仍是应用 最广泛的一种形式。 分布式结构，采用48V的电压直流总线，将电能送至负荷旁，然 后通过独立的隔离DC/DC模块分别给各负荷供电。分布式结构具 有电源效率高、输出电压调整率高、输出噪音小、动态响应快等 突出优点，一度被认为是电源发展的方向。 中间总线结构，由两级构成，首先通过隔离DC/DC变换器将48V变 换成中间的电压，采用中间的电压总线，如12V电压总线，将电 能送至负荷旁，然后通过第二级非隔离DC/DC模块给负荷供电。 中间总线结构电源成本较低，具有较好的竞争力。目前非隔离 DC/DC模块增长速度已经超过了隔离DC/DC模块。
（2）在磁滞曲线图中，确定磁感应强度B的工作范围。
由于励磁电感电流Im必须小于其最大值，对应的磁场强度也必须小于Hs， 故磁感应强度B的最大工作范围可确定在+Bs～+Br之间。即：
一般取100℃下的Bs值，即390mT，作为设计最大值，此时Br=55mT。这样， △Bw≤335mT，磁芯不会饱和。 △Bw值越大，磁芯损耗也将越大。反激最大 占空比出现在输入低压，即36V时，一般设计为45%。开关频率350KHz，对应 开关周期Ts=2.86us。这样就可以确定Np的最小值。 （3）由磁芯的伏秒关系，计算变压器原边匝数：
分布式结构
中间总线结构
2、砖块电源的历史



1996年朗讯科技公司(Lucent Technologies)推出了半砖 电源模块，后来成为砖块电源的标准。DC/DC模块主要有4 类用户：电脑和办公自动化、通信、工业和仪表(医疗)、 军事与航天，其中通信贡献最大。目前主流的DC/DC模块 电源生产商主要分为DOSA联盟和POLA联盟两大阵营。 DOSA联盟即分布式电源开放标准联盟(Distributed-power Open Standards Alliance)，2004年2月由Tyco与SynQor 公司创立，联盟主要目标是确保越来越细分的转换器市场 中，DC/DC产品的兼容性与标准化。DOSA联盟面向的产品 包括非隔离(POL)和隔离电源转换器。 POLA联盟即负载点联盟(Point Of Load Alliance)，成立 于2003年6月，旨在标准化非隔离负载点电源模块的外形 和占位面积。
这就是磁芯的伏秒关系。 计算步骤： （1）根据功率拓扑，分析变压器励磁电流Im的工作波形，再根据安培环路定 理，即： 得到磁场强度H的工作范围。式中le是磁路有效长度。
（2）在磁滞曲线图中，根据磁场强度H 的工作范围，确定磁感应强度B的工 作范围，从而确定Bw。
（3）由磁芯的伏秒关系，计算变压器原边匝数：
此时对应磁场强度最大值，可设为Hs，对应的 磁感应强度为Bs。一般取△I=(20%～40%)Io。 （2）由伏秒平衡关系，即：
可得占空比与输入输出电压的关系以及电感量 的取值：
将相关数据代入，可得：L=3.2uH。 （3）根据磁饱和特性，计算电感线圈最小匝数Np。根据：
将相关数据代入，可得电感线圈最小匝数：Np≥2.52，可取值3匝。 最后将计算结果进行检验。

问题
（1）不连续模式功率电感应如何计算？ （2）多绕组电感及耦合电感应如何计算？
四、电源反馈控制电路的设计
1、反馈控制基础

LC电路滤波原理
这是一个LC滤波电路，输入电压Vin，输出电压Vo。它们之间的关系为：
式中，s=jw代表频率，是自变量；Vo是因变量。 （1）当 时， ，即在低频段，有： （2）当 时， ，即在高频段，有：

应用举例
例1：设计有源钳位输出滤波功率电感，已知磁芯选用EIQ25，TP4材质，有效 面积Ae=89.7mm2，输入电压DC36V-75V，输出电压12Vdc，输出电流25A，变压 器匝比2：1，工作频率250KHz。 设计过程：
（1）分析电感电流I的工作波形。电感有两个工作 状态，激磁和去磁阶段。激磁阶段电感电流持 续上升，去磁阶段电感电流持续下降。假设电 感工作于连续模式，电流纹波为△I，输出平均 电流Io，则峰值电流为：

居里温度
居里温度是磁性材料从铁磁 性(亚铁磁性)到顺磁性的转变 温度，或称磁性消失温度，表 示方式有多种，天通材料标准 中规定的确定居里温度的方法 如右图，随温度升高磁导率下 降到最大值的80%与20%时，这 二点联线延长到与温度轴的交 点即为居里温度。 TP4材质的居里温度为220℃， 在实际应用中，磁芯的最高温 度应远离居里温度，一般磁芯 工作温度不应超过125℃。 另一方面，根据磁芯功率损 耗与温度的关系，TP4材质最佳 工作温度点应在80℃-100℃之 间，此时磁芯损耗最低，变压 器效率最高。
3、变压器的设计方法

对变压器的设计，实际上就是对励磁电感Lm工作状态的设计。由此我 们用到的物理方程主要有： 磁通量与励磁电感、励磁电流的关系：

磁通量与线圈匝数、磁感应强度、磁芯有效面积的关系：

由于磁芯的饱和特性，有：

根据楞次定律，有：
式中U是加在电感Lm两端的电压，t是作用时间。
若假定电压U是一个稳定不变的量，励磁电感Lm也是一个常量（即不考虑 非线性），则有：
（2）在磁滞曲线图中，确定磁感应强度B的工作范 围。由于励磁电感电流工作于+Im_max～-Im_max 之间，对应磁场强度是在正负饱和磁场强度之间： +Hs～-Hs，故磁感应强度B的最大工作范围可确定 在+Bs～-Bs之间。即：
一般取100℃下的 Bs值，即0.39T，作 为设计最大值。这 样，△Bw≤0.78T， 磁芯不会饱和，该 值越大，磁芯损耗 也将越大。有源钳 位最大占空比出现 在输入低压，即36V 时，一般设计为65%。 开关频率250KHz， 对应开关周期 Ts=4us。这样就可 以确定Np的最小值。

TP4材料特性表与特性曲线
2、变压器模型