反激式开关电源设计详解(上)

选取压敏电阻的方法
• 结合前面所述，来看一下本电路中压敏电 阻的型号所对应的相关参数。
EMI电路
• X电容，共模电感（也叫共模扼流圈 ），Y 电容
– 根据IEC 60384-14,安规电容器分为X电容及Y 电容:
• 1. X电容是指跨与L-N之间的电容器, • 2. Y电容是指跨与L-G/N-G之间的电容器.
整流桥的耐压选择 整流桥的耐电流选择5为输入电流有 效值的倍数，经验值。 所选整流桥的正向管压降 所选整流桥的功率损耗计算
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aVrms bc
2，V1mA 488.042 V
a 为电路电压波动系数，一般取值1.2； Vrms 为交流输入电压有效值； b 为压敏电阻误差，一般取值0.85； C 为元件的老化系数，一般取值0.9； √2 为交流状态下要考虑峰峰值； V1mA 为压敏电阻电压实际取值近似值； 通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25℃情况下，对于规 定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超 过± 10％时的最大脉冲电流值。
– 有源功率因数校正是使用所谓的有源电流控制功率因数 的校正方法，可以迫使输入电流跟随供电的正弦电压变 化。这种功率因数校正有体积小、重量轻、功率因数可 接近1等优点。
NTC电阻的作用
• NTC（负温度系数）电阻，是以氧化锰等为主要 原料制造的精细半导体电子陶瓷元件。电阻值随 温度升高而降低且呈现非线性变化。利用这一特 性，在电路的输入端串联一个负温度系数热敏电 阻增加线路的阻抗，这样可以有效的抑制电路开 机时产生的浪涌电压形成的浪涌电流。当电路进 入稳态工作时，由于线路中的持续工作电流引起 NTC发热，使得电阻器的电阻值变得很小，对线 路的影响可以完全忽略。
反激开关电源特点
• 在开关电源市场中,400W以下的电源大约占了市 场的70-80%,而其中反激式电源又占大部分,几乎 常见的消费类产品全是反激式电源。 优点：成本低,外围元件少，低耗能，适用于宽电 压范围输入,可多组输出. 缺点：输出纹波比较大。(输出加低内阻滤波电容 或加LC噪声滤波器可以改善) • 今天以自行车充电器为例，详细讲解反激开关电 源的设计流程及元器件的选择方法。
隔离开关电源框架结构图
EMI
整流滤波
变压器
次级整流滤波
输出
开关器件
采样反馈
PWM 控制IC
隔离器件
高压区域
低压区域
电源电路原理图
初级侧部分
第一个安规元件—保险管
• 作用： 安全防护。在电源出现异常时，保护核心器件不 受到损坏。 • 技术参数： 额定电压V、额定电流I、熔断时间I^2RT。 • 分类： 快断、慢断、常规
• EMI测试频率：传导150KHz~30MHz。 • EMC测试频率: 30MHz~3GHz。 • 实际的滤波器无法达到理想滤波器那样陡峭的阻抗 曲线，通常可将截止频率设定在50KHz左右。在此， 假设Fo=50KHz。则
共模磁芯的选择
• 以上，得出的是理论要求的电感值，若想获得更低的截止 频率，则可进一步加大电感量，截止频率一般不低于 10KHz。理论上电感量越高对EMI抑制效果越好，但过高 的电感将使截止频率将的更低，而实际的滤波器只能做到 一定的带宽，也就使高频杂讯的抑制效果变差（一般开关 电源的杂讯成分约为5~10MHz之间）。另外，感量越高， 则绕线匝数越多，就要求磁芯的ui值越高，如此将造成低 频阻抗增加。此外，匝数的增加使分布电容也随之增大， 使高频电流全部经过匝间电容流通，造成电感发热。过高 的ui值使磁芯极易饱和，同时在生产上，制作比较困难， 成本较高。
共模电感圈数的计算
• • • • • 在本电路中，我们选用的磁芯型号为 TDK UU9.8 磁芯材质PC40 μi值2300 AL值 500nH/N^2
共模电感线径的计算
• J为无强制散热情况下每平方毫米所通过的 电流值，若有强制散热可选择6A。 • Iin_avg输入电流平均值 • 2为常数
整流桥（桥堆）的计算
保险管的参数计算方法
P0 F1 2 V 0 . 6 in min
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P0 F1 2 V 0 . 98 in min
0.6为不带功率因数校正的功率因数估值 Po输出功率 η 效率（设计的评估值） Vinmin 最小的输入电压 2为经验值，在实际应用中，保险管的取值范围是理 论值的1.5~3倍。 • 0.98 功率因数值（PF）
安规电容之--X电容
• X电容多选用耐纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容。这种 类型的电容,体积较大,但其允许瞬间充放电的电流也很大, 而其内阻相应较小。 • X电容容值选取是μF级，此时必须在X电容的两端并联一 个安全电阻,用于防止电源线拔掉时,由于该电容被充电荷 没泄放而致电源线插头长时间带电。 安全标准规定,当正 在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电源线插 头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来额定工作电 压的30%。 • 作为安全电容之一的X电容,也要求必须取得安全检测机构 的认证。X电容一般都标有安全认证标志和耐压AC250V 或AC275V字样,但其真正的直流耐压高达2000V以上,使用 的时候不要随意使用标称耐压AC250V或者DC400V之类 的普通电容来代用。
选取压敏电阻的方法
• 压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持 续电流，在用作过压保护时必须考虑到这一点。压敏电阻的选用，一 般选择标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数。
a 1.2，Vrms 220 V，b 0.85 ，c 0.9， V1mA
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共模电感的设计
共模电感实物图
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共模电感中差模磁场示意图
第一步： 确定客户的规格要求 ， EMI允许级别 第二步： 电感值的确定 第三步： core（磁芯）材质及规格确定 第四步：绕组匝数及线径的确定 第五步：打样 第六步：测试
共模电感的设计
• EMI等級 : Fcc Class B • 已知条件：C2=C7=3300pF
NTC的选择依据
Rt Rne
1 1 [ B ( )] T1 Tn
公式中： 1. Rt 是热敏电阻在T1温度下的阻值； 2. Rn是热敏电阻在常温Tn下的标称阻值； 3. B是材质参数(常用范围2000K~6000K)； 4. exp是以自然数 e 为底的指数（ e =2.71828 ）； 5. T1和Tn为绝对温度K（即开尔文温度），K度 =273.15(绝对温度)+摄氏度；
相关知识
关于功率因数
• 功率因数的校正(PFC)主要有两种方法：无源功率 因数校正和有源功率因数校正。
– 无源功率因数校正利用线性电感器和电容器组成滤波 器来提高功率因数、降低谐波分量。这种方法简单、 经济，在小功率中可以取得好的效果。但是，在较大 功率的供电电源中，大量的能量必须被这种滤波器储 存和管理，因此需要大电感器和电容器，这样体积和 重量就比较大也不太经济，而且功率因数的提高和谐 波的抑制也不能达到理想的效果。
安规电容之--Y电容
• 单相交流电源输入分为3个端子：火线（L）/零线（N）/ 地线（G）。在火线和地线之间以及在零线和地线之间并 接的电容, 这两个Y电容连接的位臵比较关键,必须要符合 相关安全标准, 以防引起电子设备漏电或机壳带电,容易危 及人身安全及生命。它们都属于安全电容,从而要求电容 值不能偏大,而耐压必须较高。 • Y电容主要用于抑制共模干扰 • Y电容的存在使得开关电源有一项漏电流的电性能指标。 • 工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.7mA; 工作在温带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.35mA。 因此,Y电容的总容量一般都不能超过4700PF（472）。
Y电容的作用及取值经验
• Y电容底下又分为Y1, Y2, Y3，Y4, 主要差別在于:
– 1. Y1耐高压大于8 kV,属于双重绝缘或加强绝缘|额定电压范围≥ 250V – 2. Y2耐高压大于5 kV,属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围 ≥150V ≤250V – 3. Y3耐高压 ≥2.5KV ≤5KV 属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压 范围≥150V ≤250V – 4. Y4耐高压大于2.5 kV属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围 <150V
• JB151中规定Y电容的容量应不大于0.1μF。Y电容除符合相 应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性 能方面有足够的安全余量，避免在极端恶劣环境条件下出 现击穿短路现象，Y电容的耐压性能对保护人身安全具有 重要意义。
共模电感的作用
• 共模电感有A和B两个电感线圈绕在同一铁芯上， 匝数和相位都相同(绕制方向相反)。当电路中的 正常电流（差模电流）流经共模电感时，电流在 同相位绕制的电感线圈中会产生反向的磁场而相 互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影 响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流 经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内 产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现 为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模 电流，抑制高速信号线产生的电磁波向外发射，达到滤 波的目的。
共模磁芯的选择
• 从前述设计要求中可知，共模电感器要不易饱和， 如此就需要选择低B-H（磁芯损耗与饱和磁通密 度）温度特性的材料，因需要较高的电感量，磁 芯的μi值也就要高，同时还必须有较低的磁芯损 耗和较高的BS（饱和磁通密度）值，符合上述要 求之磁芯材质，目前以铁氧体材质最为合适，磁 芯大小在设计时并没有一定的规定，原则上只要 符合所需要的电感量，且在允许的低频损耗范围 内，所设计的产品体积最小化。 • 因此，磁芯材质及大小选取应以成本、允许损耗、 安装空间等做参考。共模电感常用磁芯的μi约在 2000~10000之间。
压敏电阻的作用
• 压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性 特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间时，压敏电阻可 以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级 电路的保护。 • 主要作用：过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰 脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等。 • 主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。 • 压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比TVS 管（瞬间抑制二极管）稍慢一些，一般情况下用于电子电 路的过电压保护，其响应速度可以满足电路要求。
安规电容之--X电容
• • • • • • X电容主要用来抑制差模干扰 安全等级 峰值脉冲电压 等级（IEC664） X1 >2.5kV ≤4.0kV Ⅲ X2 ≤2.5kV Ⅱ X3 ≤1.2kV —— X电容没有具体的计算公式，前期选择都是依据经验值， 后期在实际测试中，根据测试结果做适当的调整。 • 经验：若电路采用两级EMI，则前级选择0.47uF,后级采用 0.1uF电容。若为单级EMI，则选择0.47uF电容。（电容 的容量大小跟电源功率没有直接关系）
（下）
电子科技大学 杨忠孝
开关电源的拓扑结构分类
• 10W以内常用RCC(自激振荡)拓扑方式 • 10W-100W以内常用反激式拓扑（75W以 上电源有PF值要求） • 100W-300W 正激、双管反激、准谐振 • 300W-500W 准谐振、双管正激、半桥等 • 500W-2000W 双管正激、半桥、全桥 • 2000W以上 全桥
相关知识
关于功率因数
• 大部分用电设备，其工作电压直接取自交流电网。 所以电网中会有许多家用电器、工业电子设备等 非线性负载，这些用电器在使用过程中会使电网 产生谐波电压和电流。没有采取功率因数校正技 术的AC-DC整流电路，输入电流波形呈尖脉冲状。 交流网侧功率因数只有0.5~0.7，电流的总谐波畸 变（THD）很大，可超过100%。采用功率因数校 正技术后，功率因数值为0.999时，THD约为3%。 为了防止电网的谐波污染，或限制电子设备向电 网发射谐波电流，国际上已经制定了许多电磁兼 容标准，如IEEE519、IEC1000-3-2等。