开关电源原理与计算—_张占松教材例题
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
∑
850
0.18
26
30 ，设计通过。
五、反激变换器（P245） 设计 112W 反激变压器，交流电压 85-240V。 解： （1）选择磁芯大小 5 10+12 5 = 132W 如果效率为 83%，则变压器传输的功率 。 0.83 根据 132W，在图 11‐11 曲线上对磁芯做了一初步选择，查得型号 E42/20。这种 规格的磁芯静态磁化曲线如图 11‐12 所示。 （2）计算 ton 原边绕组开关晶体管 Tr 的最大导通时间对应在最低输入电压和最大负载时发生。
L Vo 5 (1 DL ) (1 0.095) 28.3 H I L f s 2 80 103
选
L 28.3 1.5 42.5 H
C
Vo (1 DL ) 8 Lf s 2 Vo
5 (1 0.095) 46 F 6 8 42.5 10 50 103 (80 103 ) 2
C
D1Ts 0.625 20 106 5 625 F Io Vo 100 103
Vo Vo Vs D1Ts Io V DT s 1 s Is 2L 1 D1 2L
ESRmax
100 103 7.1m 5 9 0.625 20 106 1 0.625 2 75 106
I C (max) 5 Vo D1 D (1 D1 ) RTs 2 1( ) R 1 D1 12 L
6
0.625 0.625 (1 0.625) 4.8 20 10 2 ( ) 6.46 A 1 0.625 12 72 106
二极管参数
VD1(max) Vo 24V Vs D1Ts 2L 5 12 6 0.625 20 10 14.3 A 1 0.625 2 72 106 I D1( avg ) 5 A I D1(max) I s
P 式中 P ——单位体积铁耗 V ——铁心体积(cm ) 0.01 （8）计算温升 变压器温升∆t 由内部总损耗P∑ ∆ 式中 A ——变压器表面积 ∆ 26 850 2.6 91 ；
PV
18.8 P
0.18
P 和散热表面积A 决定。
Vs 90 1.3 1.9 222V
（4）选择工作时的磁通密度值 E42/20 型中心磁路的有效面积 Ae 180mm 2 。在 100 oC 时饱和磁感应强度是
360mT 。
当工作频率在 30kHz 时，取 65%的饱和值： Bac 360 0.65 234mT 。 （5）计算原边匝数 因为作用电压是一方波，一个导通期间的伏秒值与原边匝数关系
. .
0.649
导线直径 1 ； 式中 S ——截面积（mm ） r ——并联根数 1 4 0.649 2 3.14 ○ 2 副边绕组 副边绕组有效电流 1.414 截面积 50 1.414 35.4 3.62 线直径 1 区并联根数r 10 1 4 9.78 10 3.14 （5）确定N 原、副边绕组占用窗口面积 ∙ ∙ ∙ ∙ 6 10 0.035 92，N 0.35 4 35.4 0.45 4
三、buck‐boost 变换器（P44）
Buck‐boost 工作于连续模式，输入电压 Vs=16‐32V,开关频率 fs=100k，输出电 压为 48V，电流为 0.5‐1.5A，纹波电流小于 0.8A，纹波电压小于 100mV，求 L，C 参数。
Vo 48 Dmin Vs max 1 Dmin 32 Dmin 0.6
在这个例子中，假设
D
ton 0.5 ，工作频率 30KHz。 Ts
1 106 33 s f s 30 103
Ts
ton DTs 0.5 33 16.5 s
（3）计算最低直流输入电压 设当变换器在最低线路输入电压是发生满载工作， 计算它的输入端的直流电压 Vs 。 对于单相交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流输入的电压有效值的 1.4 倍，也不小于 1.2 倍。它与电源线路中的电源阻抗，整流器电压降，储能电容的 等效阻抗，以及负载大小均有关，在此取 1,3。设交流电压 110V 下限为 90V，倍 压整流系数为 1.9。
选
开关管
C 46 1.5 69 F
BVceo 53 1.5 79.5V
1 IT ( on ) I o I L 6 A 2
IT ( avg ) DH I o (max) 0.55 A
二极管 VD 53 1.wk.baidu.com 79.5V
1 I D ( on ) I o (max) I L 6 A 2
I D ( avg ) (1 0.11) I o (max) 4.45 A
二、boost 变换器（P39）
连续模式 boost 变换器，输入电压 Vs=9‐12V，输出电压 Vo=24V,输出电流 Io=0.5‐5A,开关频率 fs=50k， 纹波电流小于 1A， 纹波电压小于 100mV， 求电感值， 电容值和二极管参数。 求解占空比范围
Vo 24 1 Vs max 12 1 Dmin Vo 24 1 Vs min 9 1 Dmax
Dmin 0.5 Dmax 0.625
L Lc
VoTs Dmin (1 Dmin ) 2 60 H 2 I ol
取
L 1.2 60 72 H
NP Vs ton 222 16.5 86匝 Bac Ae 0.234 180
（6）计算副边匝数 以输出电压 5V 计算，整流管压降 0.7V ，绕组压降 0.6V ，则副边电压值为 5+0.7+0.6=6.3V。 原边绕组每匝伏数 = 副边绕组 N s
Vs 222 2.58V / 匝 N p 86
承受的伏∙秒值计算所需的最小匝数 0.5 40 10
. ∆ ∙ .
0.5
91 匝 2 按输入电压为最小值V ○ 比 ∙ 式中 n ——副边原边匝比 ； V ——输出回路二极管的压降（V） ； V ——输入电源电压最小值（V） 。 5 0.8 200 0.45 ○ 3 计算副边匝比 0.0644 取N 6 匝。 333 200 0.71 91 5.9 匝 0.0644 1 时，仍有正常输出副边直流电压V 来计算变
选 L>76.8uH 即可使变换器工作于连续模式
C Vo DmaxTs I o DmaxTs RVo Vo
因为
Vo Dmax 48 Vs max 1 Dmax 16 Dmax 0.75
所以
C
0.5 0.75 10 106 37.5 H 100 103
Vo max Vo max VD T I D1 I s s max s 2L 3 100 10 3 46.5 10 m 0.75 0.5 (1 0.75)48 10 106 1 0.75 2 92 106 ESRmax
电容有效纹波电流
一、buck 变换器（P27） 已知输入电压 Vs 为 46-53V，输出电压 5V，输出电流 1-5A，fs=80k，纹波电 流小于 2A，纹波电压小于 50mV，计算输出电感电容，开关管和二极管参数。 5 5 当 Vs=46V, DH 0.11 ， 当 Vs=53V 时， DL 0.095 46 53
（3）求原边电流有效值 2.35 0.71。
式中 K ——输入最大电流与有效值电流之比值，正激变换器K （4）线径的确定 . 4.5 5.71 3.62 / ○ 1 原边绕组 截面积
.
333W
A ∙A 1.11 ∆ ∙
.
AP
1.11 333 0.15 0.15 40
10
.
5.4 cm 3.12cm ，A 1.83cm
查资料知 EC52 铁心AP 183mm ） ，故选用 EC52。 （2）计算原、副边绕组匝数
5.71 cm （其中A
1 按最低输入直流电压V ○ 200 ，
其中 Ts 10 s
Lc
VoTs 48 10 106 (1 Dmin ) 2 (1 0.6) 2 76.8 H 2 I oc 2 0.5
取
L 1.2 Lc 92 H
9.78
6，检查原、副边绕组占用窗口面积A 0.4A 0.4 3.12 1.25cm
92 2 0.045 0.45cm
原、副边绕组占用窗口面积 0.45 小于窗口面积 1.25cm ，设计通过。 （6）计算铜损 2 0.000353 2 2.35 92 7.3 0.000353 2.6 （7）计算铁损P
6.3 2.44匝 ，取 3 匝 2.58 （7）计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数 因副边取整数 3 匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压是 2.1V/匝。 占空比必须以同样的比率变化来维持伏秒值相等。 T 2.1 33 2.1 14.8 s ton s 2.1 2.58 2.1 2.58 对于 12V 直流输出，考虑绕组及二极管压降 1V 后为 13V 13 Ns 6.2匝 （取 6） 2.1 （8）确定磁芯气隙的大小 t 原边电感 LP Vs （11.1） i
I C ( rms ) Vo Dmax D (1 Dmax ) RTs 2 max ( ) R 1 Dmax 12 L
0.75 0.75 (1 0.75)48 / 0.5 10 106 2 0.5 ( ) 1A 1 0.75 12 92 106
四、正激变换器（P270） 设计输入市电电压 110V/220V，工作频率 40kHz，输出 5V/5A~50A，效率μ =75﹪的正激变换器变压器，要求温升小于 30℃。 （1） 根据功率选择磁心 5 50 250W 输出功率 铁窗面积 Aw 与铁心截面积 Ae 之积 AP 考虑多种因素时 ∙ 式中 K——系数， ∙ ； ∆B——选定磁感应强度增量； K ——铁窗使用系数； K ——绕线系数。
850
0.18
26
30 ，设计通过。
五、反激变换器（P245） 设计 112W 反激变压器，交流电压 85-240V。 解： （1）选择磁芯大小 5 10+12 5 = 132W 如果效率为 83%，则变压器传输的功率 。 0.83 根据 132W，在图 11‐11 曲线上对磁芯做了一初步选择，查得型号 E42/20。这种 规格的磁芯静态磁化曲线如图 11‐12 所示。 （2）计算 ton 原边绕组开关晶体管 Tr 的最大导通时间对应在最低输入电压和最大负载时发生。
L Vo 5 (1 DL ) (1 0.095) 28.3 H I L f s 2 80 103
选
L 28.3 1.5 42.5 H
C
Vo (1 DL ) 8 Lf s 2 Vo
5 (1 0.095) 46 F 6 8 42.5 10 50 103 (80 103 ) 2
C
D1Ts 0.625 20 106 5 625 F Io Vo 100 103
Vo Vo Vs D1Ts Io V DT s 1 s Is 2L 1 D1 2L
ESRmax
100 103 7.1m 5 9 0.625 20 106 1 0.625 2 75 106
I C (max) 5 Vo D1 D (1 D1 ) RTs 2 1( ) R 1 D1 12 L
6
0.625 0.625 (1 0.625) 4.8 20 10 2 ( ) 6.46 A 1 0.625 12 72 106
二极管参数
VD1(max) Vo 24V Vs D1Ts 2L 5 12 6 0.625 20 10 14.3 A 1 0.625 2 72 106 I D1( avg ) 5 A I D1(max) I s
P 式中 P ——单位体积铁耗 V ——铁心体积(cm ) 0.01 （8）计算温升 变压器温升∆t 由内部总损耗P∑ ∆ 式中 A ——变压器表面积 ∆ 26 850 2.6 91 ；
PV
18.8 P
0.18
P 和散热表面积A 决定。
Vs 90 1.3 1.9 222V
（4）选择工作时的磁通密度值 E42/20 型中心磁路的有效面积 Ae 180mm 2 。在 100 oC 时饱和磁感应强度是
360mT 。
当工作频率在 30kHz 时，取 65%的饱和值： Bac 360 0.65 234mT 。 （5）计算原边匝数 因为作用电压是一方波，一个导通期间的伏秒值与原边匝数关系
. .
0.649
导线直径 1 ； 式中 S ——截面积（mm ） r ——并联根数 1 4 0.649 2 3.14 ○ 2 副边绕组 副边绕组有效电流 1.414 截面积 50 1.414 35.4 3.62 线直径 1 区并联根数r 10 1 4 9.78 10 3.14 （5）确定N 原、副边绕组占用窗口面积 ∙ ∙ ∙ ∙ 6 10 0.035 92，N 0.35 4 35.4 0.45 4
三、buck‐boost 变换器（P44）
Buck‐boost 工作于连续模式，输入电压 Vs=16‐32V,开关频率 fs=100k，输出电 压为 48V，电流为 0.5‐1.5A，纹波电流小于 0.8A，纹波电压小于 100mV，求 L，C 参数。
Vo 48 Dmin Vs max 1 Dmin 32 Dmin 0.6
在这个例子中，假设
D
ton 0.5 ，工作频率 30KHz。 Ts
1 106 33 s f s 30 103
Ts
ton DTs 0.5 33 16.5 s
（3）计算最低直流输入电压 设当变换器在最低线路输入电压是发生满载工作， 计算它的输入端的直流电压 Vs 。 对于单相交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流输入的电压有效值的 1.4 倍，也不小于 1.2 倍。它与电源线路中的电源阻抗，整流器电压降，储能电容的 等效阻抗，以及负载大小均有关，在此取 1,3。设交流电压 110V 下限为 90V，倍 压整流系数为 1.9。
选
开关管
C 46 1.5 69 F
BVceo 53 1.5 79.5V
1 IT ( on ) I o I L 6 A 2
IT ( avg ) DH I o (max) 0.55 A
二极管 VD 53 1.wk.baidu.com 79.5V
1 I D ( on ) I o (max) I L 6 A 2
I D ( avg ) (1 0.11) I o (max) 4.45 A
二、boost 变换器（P39）
连续模式 boost 变换器，输入电压 Vs=9‐12V，输出电压 Vo=24V,输出电流 Io=0.5‐5A,开关频率 fs=50k， 纹波电流小于 1A， 纹波电压小于 100mV， 求电感值， 电容值和二极管参数。 求解占空比范围
Vo 24 1 Vs max 12 1 Dmin Vo 24 1 Vs min 9 1 Dmax
Dmin 0.5 Dmax 0.625
L Lc
VoTs Dmin (1 Dmin ) 2 60 H 2 I ol
取
L 1.2 60 72 H
NP Vs ton 222 16.5 86匝 Bac Ae 0.234 180
（6）计算副边匝数 以输出电压 5V 计算，整流管压降 0.7V ，绕组压降 0.6V ，则副边电压值为 5+0.7+0.6=6.3V。 原边绕组每匝伏数 = 副边绕组 N s
Vs 222 2.58V / 匝 N p 86
承受的伏∙秒值计算所需的最小匝数 0.5 40 10
. ∆ ∙ .
0.5
91 匝 2 按输入电压为最小值V ○ 比 ∙ 式中 n ——副边原边匝比 ； V ——输出回路二极管的压降（V） ； V ——输入电源电压最小值（V） 。 5 0.8 200 0.45 ○ 3 计算副边匝比 0.0644 取N 6 匝。 333 200 0.71 91 5.9 匝 0.0644 1 时，仍有正常输出副边直流电压V 来计算变
选 L>76.8uH 即可使变换器工作于连续模式
C Vo DmaxTs I o DmaxTs RVo Vo
因为
Vo Dmax 48 Vs max 1 Dmax 16 Dmax 0.75
所以
C
0.5 0.75 10 106 37.5 H 100 103
Vo max Vo max VD T I D1 I s s max s 2L 3 100 10 3 46.5 10 m 0.75 0.5 (1 0.75)48 10 106 1 0.75 2 92 106 ESRmax
电容有效纹波电流
一、buck 变换器（P27） 已知输入电压 Vs 为 46-53V，输出电压 5V，输出电流 1-5A，fs=80k，纹波电 流小于 2A，纹波电压小于 50mV，计算输出电感电容，开关管和二极管参数。 5 5 当 Vs=46V, DH 0.11 ， 当 Vs=53V 时， DL 0.095 46 53
（3）求原边电流有效值 2.35 0.71。
式中 K ——输入最大电流与有效值电流之比值，正激变换器K （4）线径的确定 . 4.5 5.71 3.62 / ○ 1 原边绕组 截面积
.
333W
A ∙A 1.11 ∆ ∙
.
AP
1.11 333 0.15 0.15 40
10
.
5.4 cm 3.12cm ，A 1.83cm
查资料知 EC52 铁心AP 183mm ） ，故选用 EC52。 （2）计算原、副边绕组匝数
5.71 cm （其中A
1 按最低输入直流电压V ○ 200 ，
其中 Ts 10 s
Lc
VoTs 48 10 106 (1 Dmin ) 2 (1 0.6) 2 76.8 H 2 I oc 2 0.5
取
L 1.2 Lc 92 H
9.78
6，检查原、副边绕组占用窗口面积A 0.4A 0.4 3.12 1.25cm
92 2 0.045 0.45cm
原、副边绕组占用窗口面积 0.45 小于窗口面积 1.25cm ，设计通过。 （6）计算铜损 2 0.000353 2 2.35 92 7.3 0.000353 2.6 （7）计算铁损P
6.3 2.44匝 ，取 3 匝 2.58 （7）计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数 因副边取整数 3 匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压是 2.1V/匝。 占空比必须以同样的比率变化来维持伏秒值相等。 T 2.1 33 2.1 14.8 s ton s 2.1 2.58 2.1 2.58 对于 12V 直流输出，考虑绕组及二极管压降 1V 后为 13V 13 Ns 6.2匝 （取 6） 2.1 （8）确定磁芯气隙的大小 t 原边电感 LP Vs （11.1） i
I C ( rms ) Vo Dmax D (1 Dmax ) RTs 2 max ( ) R 1 Dmax 12 L
0.75 0.75 (1 0.75)48 / 0.5 10 106 2 0.5 ( ) 1A 1 0.75 12 92 106
四、正激变换器（P270） 设计输入市电电压 110V/220V，工作频率 40kHz，输出 5V/5A~50A，效率μ =75﹪的正激变换器变压器，要求温升小于 30℃。 （1） 根据功率选择磁心 5 50 250W 输出功率 铁窗面积 Aw 与铁心截面积 Ae 之积 AP 考虑多种因素时 ∙ 式中 K——系数， ∙ ； ∆B——选定磁感应强度增量； K ——铁窗使用系数； K ——绕线系数。