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开关电源工作原理讨论
销售一部
2020/3/23
1
主要内容简介
一：单端反激开关电源工作原理
1：开关电源拓扑简介 2：反激原理框图 3：反激拓扑结构 4：反激工作原理
二：变压器设计 三：实例分析
2020/3/23
2
三种基本的非隔离开关电源
D
S Vin
L
Vo Vo=Vin *D
Io
Vo<Vin,
6
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理 （电流连续模式）
Vin
n:1
Vo
D
Io
Lm
Co
T
Vgs D 1-
D
Vin+nV
o
Vin
Vd
D G
S
s
Ip
Im
根据变压器的伏秒平衡：
ID-p ID
Vin* DT nVo*(1 D)T
Vo Vin * D
Io
n *(1 D)
Vds Vin nVo
Vds Vin (1 D)
线径选取： 电流密度J建议取4-6A/mm2， Irms/(π*r*r)=J
2020/3/23
18
三：实例分析
开关电源设计实例 规格要求：
输入规格 输出电压 输出电流 OCP
效率
已知90的V-2条64V件 12V
1
1.2
70%
Vacmin=90V Vdcmin=90*1.4=126V
Vacmax=264V Vdcmax=264*1.4=369.6
Vin
Lm
D Vo
S
反激型变换器
L
Vin
D1
Vo
D2
S
正激型变换器
S2 Vin
L
D1
Vo
2020/3/23
S1
D2
桥式变换器
4
1-2：开关电源原理框图
EMI单 元
防雷 单元
2020/3/23
整流 滤波
开关 器件
PWM 控制
功率 变换
输出 滤波
Fra Baidu bibliotek
输出
隔离 器件
5
采样 反馈
1-3：反激开关电源拓扑
2020/3/23
2 p
Vo 2 R
T
Io
VL
Vin
2020/3/23
Ip
VinDT Lm
Vo RT VinD 2Lm
8
-nVo -nVo’
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理（1）
Vin
n:1
Vo
D
Io
Lm
Co
Vr=？
Lk
D G
S
ID Vo(1 D)T / Lm
I D p
Io 1 D
I D 2
T
Vgs D 1-
Bulk 降压型电路
L
Vin
S
D
Vo Vo=Vin /(1-D)
Io
Vo>Vin,
Boost 升压型电路
D
S1 Vin
L D S2
2020/3/23
Vo
Io
Vo<Vin, 当D<0.5
Vo=Vin *D/(1-D) Vo>Vin 当D>0.5
buck－boost 升降压型电路
3
三种基本的隔离开关电源
Iomax=1.2A, 设定D=0.45 磁感应强度Bm=0.3T
Pomax=12*1=12A，Pi=Po/u=12/0.7=17W
2020/3/23
19
实际例子
2020/3/23
20
参数计算--1
输入电解电容
Vc
Lk
D
R
G
S
Ploss=(Vc)2/R
2020/3/23
10
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理（3）
Vin
n:1
Vo
Vgs
D
Io
Lm
Co
Vd
s
Lk
D
Im
G
S
ID
ICo IDp Io /(1 D)
ΔVo=？
ICo
根据Co在DT时间的基本方程：
CVO IO DT
VO IO DT / C Vo
优点：
1. 电路简单。 2. 输入电压范围广。 3. 容易实现多路输出。
缺点：
1. 输出纹波电流大。 2. 输出控制特性非线性。 3. 通常需要辅助的吸收回路。 4. 转换效率较低。
2020/3/23
13
三：变压器计算
基本步骤 1：确定Dmax和Vor 2：求匝比 3：求初级电感量Lp 4：选择磁芯 5：求最小初级匝数 6：初级，次级和反馈绕组匝数关系 7：选择线径，确定初次级绕组的匝数和股数
2020/3/23
14
反激电源简化电路
2020/3/23
15
3-2：变压器设计
参数设定：初级匝数-Np，次级匝数Ns，输入母线直流电压为Vin，匝 比为n，VDf为续流二极管反向耐压，Vo为输出电压，Vor为反射电压， D为MOS开通占空比，Ton为MOS导通时间，Vleg为变压器漏感产生的 尖峰电压
2020/3/23
11
T
D 1-
V
D
Vin+nV
r
o
Ip
ID-p
Vin
Io -Io
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理（4）
Vin
Np
Lm
Lk G
Vo1 Ns1
Vo2 Ns 2
反馈控制
多路输出的反激变换器：
Vo1 Ns1*Vin * D Np *(1 D)
Vo2 Ns2*Vin * D Np *(1 D)
VL
Vin
2020/3/23
-nVo
7
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理 （电流断续模式）
Vin
n:1
Vo
D
Io
Lm
Co
T
Vgs
D 1-
D
Vin+nV
o
Vd
Vin
D G
S
根据变压器的伏秒平衡：
Vo Vin * D n *(1 D)
Vo' Vo
s
Im
ID-p ID
根据能量守恒：
1 2
LmI
减小交叉调整率的措施：
1. 尽量减少两个绕组之间的漏感。 2. 在辅助输出一路中加入尖峰抑
制器（饱和电感） 3. 主路输出工作于电流连续模式。 4. 采用双路加权反馈的控制方式
2020/3/23
12
1-4:反激变换器（Flyback）特征总结
Vin
Np
Lm
Lk G
Vo1 Ns1
Vo2 Ns 2
反馈控制
V
D
Vin+nV
r
o
Vin
Vd
s
Ip
Im
ID-p ID
Io
Ip I D p n
VL
Vin
1 2
CdsVr 2
1 2
Lk Ip 2
Vr Lk * Ip Cds
-nVo
2020/3/23
9
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理（2）
Vin
n:1
Vo
D
Io
R Lm
Vc
Co
Vc
Lk
D G
S
Ploss=(Vc-Vin)2/R
N=Np/Ns
3-1
Vds=Vinmax+Vleg+Vor
3-2
Vin*Ton=Vor*Toff
3-3
Dmax=Vor/(Vmin+Vor）
3-4
n=Vor/(VO+Vd)
3-5
2020/3/23
16
磁芯选择 Ap=Aw*AE=(Pt*10000)/(2*Bm*f*J*Ku) Pt=Po/η+Po J 电流密度，A/cm2,(300-500) Ku 绕组系数 0.2~0.5 最小匝数 Np=Lp*Ip/(Bm*Ae)=Vinmin*Dmax*10^6/(Fs*Bm*Ae) Lp单位取uH，Ip取A，Bm取T，Ae取mm2， N=Np/Ns, Nb/Ns=(Vb+Vd1)/(Vo+Vd2)
销售一部
2020/3/23
1
主要内容简介
一：单端反激开关电源工作原理
1：开关电源拓扑简介 2：反激原理框图 3：反激拓扑结构 4：反激工作原理
二：变压器设计 三：实例分析
2020/3/23
2
三种基本的非隔离开关电源
D
S Vin
L
Vo Vo=Vin *D
Io
Vo<Vin,
6
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理 （电流连续模式）
Vin
n:1
Vo
D
Io
Lm
Co
T
Vgs D 1-
D
Vin+nV
o
Vin
Vd
D G
S
s
Ip
Im
根据变压器的伏秒平衡：
ID-p ID
Vin* DT nVo*(1 D)T
Vo Vin * D
Io
n *(1 D)
Vds Vin nVo
Vds Vin (1 D)
线径选取： 电流密度J建议取4-6A/mm2， Irms/(π*r*r)=J
2020/3/23
18
三：实例分析
开关电源设计实例 规格要求：
输入规格 输出电压 输出电流 OCP
效率
已知90的V-2条64V件 12V
1
1.2
70%
Vacmin=90V Vdcmin=90*1.4=126V
Vacmax=264V Vdcmax=264*1.4=369.6
Vin
Lm
D Vo
S
反激型变换器
L
Vin
D1
Vo
D2
S
正激型变换器
S2 Vin
L
D1
Vo
2020/3/23
S1
D2
桥式变换器
4
1-2：开关电源原理框图
EMI单 元
防雷 单元
2020/3/23
整流 滤波
开关 器件
PWM 控制
功率 变换
输出 滤波
Fra Baidu bibliotek
输出
隔离 器件
5
采样 反馈
1-3：反激开关电源拓扑
2020/3/23
2 p
Vo 2 R
T
Io
VL
Vin
2020/3/23
Ip
VinDT Lm
Vo RT VinD 2Lm
8
-nVo -nVo’
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理（1）
Vin
n:1
Vo
D
Io
Lm
Co
Vr=？
Lk
D G
S
ID Vo(1 D)T / Lm
I D p
Io 1 D
I D 2
T
Vgs D 1-
Bulk 降压型电路
L
Vin
S
D
Vo Vo=Vin /(1-D)
Io
Vo>Vin,
Boost 升压型电路
D
S1 Vin
L D S2
2020/3/23
Vo
Io
Vo<Vin, 当D<0.5
Vo=Vin *D/(1-D) Vo>Vin 当D>0.5
buck－boost 升降压型电路
3
三种基本的隔离开关电源
Iomax=1.2A, 设定D=0.45 磁感应强度Bm=0.3T
Pomax=12*1=12A，Pi=Po/u=12/0.7=17W
2020/3/23
19
实际例子
2020/3/23
20
参数计算--1
输入电解电容
Vc
Lk
D
R
G
S
Ploss=(Vc)2/R
2020/3/23
10
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理（3）
Vin
n:1
Vo
Vgs
D
Io
Lm
Co
Vd
s
Lk
D
Im
G
S
ID
ICo IDp Io /(1 D)
ΔVo=？
ICo
根据Co在DT时间的基本方程：
CVO IO DT
VO IO DT / C Vo
优点：
1. 电路简单。 2. 输入电压范围广。 3. 容易实现多路输出。
缺点：
1. 输出纹波电流大。 2. 输出控制特性非线性。 3. 通常需要辅助的吸收回路。 4. 转换效率较低。
2020/3/23
13
三：变压器计算
基本步骤 1：确定Dmax和Vor 2：求匝比 3：求初级电感量Lp 4：选择磁芯 5：求最小初级匝数 6：初级，次级和反馈绕组匝数关系 7：选择线径，确定初次级绕组的匝数和股数
2020/3/23
14
反激电源简化电路
2020/3/23
15
3-2：变压器设计
参数设定：初级匝数-Np，次级匝数Ns，输入母线直流电压为Vin，匝 比为n，VDf为续流二极管反向耐压，Vo为输出电压，Vor为反射电压， D为MOS开通占空比，Ton为MOS导通时间，Vleg为变压器漏感产生的 尖峰电压
2020/3/23
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T
D 1-
V
D
Vin+nV
r
o
Ip
ID-p
Vin
Io -Io
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理（4）
Vin
Np
Lm
Lk G
Vo1 Ns1
Vo2 Ns 2
反馈控制
多路输出的反激变换器：
Vo1 Ns1*Vin * D Np *(1 D)
Vo2 Ns2*Vin * D Np *(1 D)
VL
Vin
2020/3/23
-nVo
7
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理 （电流断续模式）
Vin
n:1
Vo
D
Io
Lm
Co
T
Vgs
D 1-
D
Vin+nV
o
Vd
Vin
D G
S
根据变压器的伏秒平衡：
Vo Vin * D n *(1 D)
Vo' Vo
s
Im
ID-p ID
根据能量守恒：
1 2
LmI
减小交叉调整率的措施：
1. 尽量减少两个绕组之间的漏感。 2. 在辅助输出一路中加入尖峰抑
制器（饱和电感） 3. 主路输出工作于电流连续模式。 4. 采用双路加权反馈的控制方式
2020/3/23
12
1-4:反激变换器（Flyback）特征总结
Vin
Np
Lm
Lk G
Vo1 Ns1
Vo2 Ns 2
反馈控制
V
D
Vin+nV
r
o
Vin
Vd
s
Ip
Im
ID-p ID
Io
Ip I D p n
VL
Vin
1 2
CdsVr 2
1 2
Lk Ip 2
Vr Lk * Ip Cds
-nVo
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9
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理（2）
Vin
n:1
Vo
D
Io
R Lm
Vc
Co
Vc
Lk
D G
S
Ploss=(Vc-Vin)2/R
N=Np/Ns
3-1
Vds=Vinmax+Vleg+Vor
3-2
Vin*Ton=Vor*Toff
3-3
Dmax=Vor/(Vmin+Vor）
3-4
n=Vor/(VO+Vd)
3-5
2020/3/23
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磁芯选择 Ap=Aw*AE=(Pt*10000)/(2*Bm*f*J*Ku) Pt=Po/η+Po J 电流密度，A/cm2,(300-500) Ku 绕组系数 0.2~0.5 最小匝数 Np=Lp*Ip/(Bm*Ae)=Vinmin*Dmax*10^6/(Fs*Bm*Ae) Lp单位取uH，Ip取A，Bm取T，Ae取mm2， N=Np/Ns, Nb/Ns=(Vb+Vd1)/(Vo+Vd2)