开关电源电路设计要点与调试

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l1 2 (最小值) lc c
3. 选取变压器磁芯气隙:
4. 对开关变压器初级线圈进行直流迭加测试: 最大迭加直流: 最大伏秒容量:
VTm E Im LX LX 0.9
…………(8) …………(9)
VTm I m LX 0.9
最大伏秒容量一定要合格,不合格,需要推倒重来! 详细内容请参考《开关变压器伏秒容量的计算与测量》一文。
第二步,求最小占空比Dmin :
在实际应用中,为了安全,最小占空比Dmin最少要比极限占空比Dmax多留30% 的余量,由此可求得: Dmin = Dmax×0.7 = 0.437×0.7 = 0.306 …………(3)
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开关变压器匝数比的计算
在反激式开关电源中,输出电压不但与占空比有关,而且还与开关变压 器初、次级线圈的匝数比有关,而开关变压器初、次级线圈的匝数比是不可 变的,一旦最小占空比 Dmin 确定之后,开关变压器初、次级线圈的匝数比
6
RL
FSD200单IC开关电源简介
上图是一个采用仙童公司产品FSD200设计的单IC开关电源,FSD200采用LDMOS (
横向扩散金属氧化物半导体)工艺,输出功率为4~5W(85~265Vac-50℃),其工 作频率为130~138KHz来回跳动,其目的是使干扰信号的频谱不要集中在一点上,频 谱越分散对EMC越有利。 LDMOS 与VDMOS的主要区别在于,前者内阻小,但功率 也小,后者功率大,但内阻也相应增大,因此, VDMOS 多为多个管芯并联。
(2)式中,BVm=(Uim+Upm),为电源开关管的最高耐压, Dmax 为:当输入
电压为最大值(Uim),且改变占空比使电源开关管两端电压达到最高耐压值时,此时占 空比所能达到的最大值,即极限值。 值得指出的是:占空比是随着输入电压变化而变化的,当输入电压为最大值时,此时 动态变化的D应该为最小值Dmin,但(2)式中的极限值Dmax则另有意义,它表示:当 输入电压为最大值,且此时的占空比D也达到极限值Dmax时,电源开关管将会过压被击 穿。因此,实际工作中的最小占空比 Dmin 应该比(2)式中的 Dmax 小好多,一般取 Dmin =0.7 Dmax 较为合适。
开关电源电路设计要点与调试
陶显芳
2011.9.14
1
下面是本次技术交流的主要内容
开关电源电路设计需要考虑的几个要素 常用开关电源 开关电源典型电路简介
单IC开关电源 自激式开关电源 场效应管开关电源
开关电源占空比与变压比的计算实例 开关变压器初次级线圈匝数计算实例
开关电源调试方法要点
希望从事开关电源设计的工程师对此感兴趣
前面3种电源几乎占了目前电源市场的80%以上,由于时间问题,这里
我们只能侧重讨论这3种开关电源的技术要点。后面5种电源主要用于输出 功率大于150W以上,或功率密度要求较高的开关电源 。
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开关电源典型电路简介
单IC开关电源
单IC开关电源通常把驱动电路和MOSFET开关管同封装在一个 壳体内,体积很小,工作频率很高,输出功率一般比较小,大部
空比的选择与开关变压器初次级线圈匝数比的计算》和《开关变压器伏秒容量的计算 与测量》,简要内容列于后面。 根据FSD200的技术参数(BVm=650V), F=100kHz,可求得:占空比Dmax= 0.306;N1=150匝,开关变压器可选用EE1919磁芯,线径为0.15mm;初次级线圈 匝数比:Uo = (nUim+Uo)Dmax ——Uo为输出电压,Uim为最高输入电压,Dmax 为最高输入电压时对应的占空比。
E 10 8 380 2.3 10 2 N1 116 S ( Bm Br ) 0.25(5000 2000 )
3mm宽度绝缘胶带 绝缘胶带
次级
图4
初级
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开关电源典型电路简介
自激式开关电源
早期使用的开关电源,大部分都是晶体管自激式开关电源,小 功率晶体管自激式开关电源性能价格比很高,因此,目前在节 能灯、LED灯、便携式充电器等方面还在广泛使用。
工作条件下对比才有意义。
特别值得指出的是,晶体管或MOSFET ,还有开关变压器等器件的温升,与 工作频率的关系,温升几乎是与频率的平方成正比,如要降低温升,首先要考虑 降低开关电源的工作频率。关于频率的选择问题,以后有时间我们另外再讨论。 一般规格书都是给出25℃条件下的数据,这意味着MOSFET要带一个无限大 的散热片才能达到此参数。 11
温度有关,还和开关变压器的温升有关。当晶体管或 MOSFET 管壳温度升高到
75℃时,输出功率将会下降到最大输出功率的二分之一;当管壳温度升高到
125℃时,输出功率将会下降到0(结温比壳温约高25℃)。凡是涉及到开关电 源输出功率的问题,一定要注意开关电源使用温度的条件,所以图2开关电源输 出功率的数值与图1开关电源输出功率,不能简单的进行数值对比,只有在同等
也就确定了。开关变压器匝数比可根据下面方法求得:
Uom = (nUim+Uom) Dmin ………(4) (4 )式中的n 为开关变压器初、次级线圈的变压比(n=U2/U1),Uom 为输出电压的最大值, Uim 为最高输入电压(最高工作电压),Dmin为最 高输入电压条件下开关电源的最小占空比。开关变压器的变压比n与匝数比N 两者在数值上稍有区别,两者进行转换时要考虑变压器的工作效率。这里的
图中R3为输出电压取样电阻,Z1为基准电压,U2为光耦误差放大器,R2、C2、D5
为RCD反尖峰吸收网络,R1为限流电阻,同时也兼做保险丝(保险丝电阻)用。
此开关电源电路设计的难点是开关电源占空比D的选择和开关变压器参数的计算,这
些问题,请参考我6月10日在深圳会展中心上所做的两个报告内容:《开关电源占空
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开关电源占空比计算实例
图 1 和图 2两个开关电源的 IC耐压都是650V,当输入电压最大值为 AC260V时,
根据上面(2)式,及下面方法,就可以求开关电源的最小占空比Dmin。
第一步,求极限占空比Dmax : Upm = BVm × Dmax ——(2) 已知:Uim = 260×1.414 = 368(V); BVm= 650V; Upm = 650-368 = 284(V) 把上面结果代入(2)式:Upm = BVm × Dmax 得: 284 = 650×Dmax , 即:Dmax = 0.437
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开关电源电路设计需要考虑的几个要素
开关电源的输出功率
成本 体积
工作效率
工作频率 输出负载特性 输入电压特性
以上几个要素互相联系,不能单独考虑
3
常用开关电源
1. 单IC开关电源 2. 晶体管自激式开关电源 3. 场效应管反激式开关电源 4. 场效应管正激式开关电源 5. 半桥式开关电源 6. 全桥式开关电源 7. 推挽式开关电源 8. 软开关电源
工作效率主要是只变压器的电压转换效率和整流输出效率,以及滤波电路的
输出。
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开关变压器伏秒容量的计算
8 E 10 1. 计算变压器初级线圈匝数: N1 S ( Bm Br )
…………(5) …………(6) ………(7)
2. 求变压器伏秒容量:
E KS ( Bm - Br ) N1 VT
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晶体管自激式开关电源
T1
D5
R1
C2
R4 RF93 N1
D1-D4
R2 D3 V1 MJE13007 N3 C5
AC220V
D2
C1 V2 C1815 4148 R3 10 N2
Z1 5.1V
C3
D4 4148
R5 510
C3 4700P
图5
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晶体管自激式开关电源简介
图 5 是一个干电池充电器晶体管自激式开关电源工作原理图 ,图中 V1 R2 是启动电阻,N2 是反馈线圈绕组,其正半周输出用于正反馈,负半周输 出用于输出电压稳定(占空比)控制取样,因此,开关电源变压器的正反馈
R3 0.6 6
NC
Isene
3
N2
R4 2K
7
Vcc
FB
2
C3 33
C4 104
8
4 3
1 2
图2
GND Softs
1
C5 2000P
U2 EL817
输出功率13W(85~265Vac-25℃)或23W(265Vac-25℃)
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ICE2A0565单IC开关电源简介
上图是一个采用英飞凌公司产品ICE2A0565设计的单IC开关电源, ICE2A0565采用 COOLMOS (高速二极管)工艺,输出功率为:13W(85~265Vac-25℃)或 23W (265Vac-25℃),其工作频率为100KHz 。
Байду номын сангаас
比的选择与开关变压器初次级线圈匝数比的计算》和《开关变压器伏秒容量的计算与
测量》。
根据FSD200的技术参数(BVm=650V),F=130kHz,可求得:占空比Dmax=
0.306;N1=116匝,开关变压器可选用EE1616磁芯,线径为0.12mm;初次级线圈
匝数比:Uo = (nUim+Uo)Dmax ——Uo为输出电压,Uim为最高输入电压,Dmax
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集电极(漏极)耗散功率曲线
INFINITE HEAT SINK
COLLECTOR POWER DISSIPATION Pc (W )
带散热片
图3
CASE TEMPERATURE TC (℃)
10
集电极耗散功率曲线的使用
这里需要特别注意的是,开关电源输出功率主要与晶体管或 MOSFET的工作
份都小于10W,主要用于各种便携式充电器,或LED电源。
5
FSD200单IC开关电源
R1
T1 D5
D1-D4 U1 1
GND
C2
Vstr 8
R2
C5
AC220V
N1
N2
D5
C1
R3
3
FSD200
2
GND
Drain 7
GND
NC 6
C3
C4
4 Vfb Vcc 5
Z1
4 3
1 2
U2
图1
输出功率为4~5W(85~265Vac-50℃)
为最高输入电压时对应的占空比。
7
ICE2A0565单IC开关电源
R1 4.7
R2 100K
R2 82K
D7 1N5819
D1-D4
C6 1000u
4007
R5 330 Z1
U1 ICE2A0565
C2 1200P
N1
N3
DC
C1 10/400
D5 UF4007
5
Drain Drain
4
D6 F4001
开关电源占空比的计算
开关电源的占空比可根据下式求得: Upm = (Uim+Upm)Dmax ……………(1) (1)式中,Upm为变压器初级线圈产生感应电动势的最大峰值,此值与变压器的漏 感大小有关, Upm 大约比无漏感时的初级线圈产生的感应电动势的半波平均值 Upa 大 5~8%。如果把上式括弧 (Uim+Upm)中的值换成BVm,则(1)式又可以改写为: Upm = BVm × Dmax…………(2)
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开关变压器初级线圈匝数计算实例
以图1的FSD200开关电源为例,根据工作频率F=130KHz,可求得周期T=7.5微秒, 再根据占空比Dmin=0.306,求得Ton=2.3微秒。开关变压器的磁芯拟选用 EE16型铁淦 氧磁芯,取Bm=5000高斯,Br=2000高斯,S=0.25CM2,设最大直流输入电压为380V ,代入N1计算公式求得:
图中R5为输出电压取样电阻,Z1为基准电压,U2为光耦误差放大器,R2、C2、D5
为RCD反尖峰吸收网络,R1为限流电阻,同时也兼做保险丝(保险丝电阻)用,R3 为限流取样电阻。 此开关电源电路设计的难点也是开关电源占空比D的选择和开关变压器参数的计算,
这些问题,请参考我6月10日在深圳会展中心上所做的两个报告内容:《开关电源占
(电磁干扰)相对来说要比采用固定工作频率的单IC开关电源低很多。
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MJE1300X晶体管简介
电源开关管MJE1300X是摩托罗拉公司专门为节能灯开发的一种高速、抗饱和 的高压晶体管,其耐压(BVceo)为400~700V,我们最好选用耐压为 500V 以 上的晶体管。电源开关管的耐压越高,不但可靠性可以提高,同时占空比也可以 取得高一些,电源的工作效率相应也会提高一些。图6是MJE1300X的等效电路 图。目前国内仿制 MJE1300X系列的管子型号非常多,使用时一定要注意耐压 和输出功率以及其它参数。
(MJE13007)是电源开关管,V2是过流保护管,R3是过流保护取样电阻,
线圈绕组与输出电压控制(稳压)取样信号共用一个线圈绕组。
图5开关电源输出电压大小与C3两端电压的大小有关(即与N2负反馈绕组 的输出电压有关),与稳压二极管的参数也有关。开关电源的工作频率以及 占空比,主要由反馈回路中的电阻 R5 、电容C3 的时间常数决定,但与稳压 二极管的参数以及正反馈线圈的匝数也有关。 晶体管自激式开关电源除了成本有优势之外,另一个特点是,其工作频率 与占空比时刻在变化,并且其工作频率会随着负载加重而降低,因此,EMI
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