电源设计之拓扑结构

发布时间:7/9/2012 | 110 次阅读

单端反激变换器

1、电路拓扑图

 

2、电路原理

其变压器t1起隔离和传递储存能量的作用,即在开关管q开通时np储存能量,开关管q关断时np向ns释放能量。在输出端要加由电感器lo和两co电容组成一个低通滤波器,变压器初级需有cr、rr和dr组成的rcd漏感尖峰吸收电路。输出回路需有一个整流二极管d1。由于其变压器使用有气隙的磁芯,故其铜损较大,变压器温相对较高。并且其输出的纹波电压比较大。但其优点就是电路结构简单,适用于200w以下的电源且多路输出交调特性相对较好。

3、变压器计算

单端反激式变压器设计的方法较多,但对于反激式设计来说最难的也就是变压器的设计和调整。一般须视具体工作状态而定,这里我结合自己的调试经验介绍一种快捷的近似计算方法。反激变换器可工作于电流连续模式(ccm)和电流断续模式(dcm),同样输出功率时,工作于电流断续模式具有较大的峰值电流,此时开关晶体管、整流二极管、变压器和电容上损耗会增加,所以一般效率较低,工作于电流连续模式下,效率较高,但输出二极管反向恢复时易引起振荡和噪声;另外,工作于电流断续模式时,由于变压器电感量较小,体积可以做得小一些,而工作于电流连续模式,变压器体积一般会较大。变压器参数的选取应结合整个电路设计和实际应用情况,在最初的设计中,为取得比较适中的性能,可考虑使电路工作于电流临界连续状态。

反激式变压器的设计可分为以下几个步骤:

a、初选磁芯型号。

b、确定初级电感量。

c、确定初级峰值电流。

d、确定初级线圈匝数和气隙。

e、计算并调整初、次级匝数。

f、计算并确定导线线径

g、校核窗口面积和最大磁感性强度

★ 初选磁芯型号

反激变压器的体积主要决定于传递功率的大小,可依据经验或磁芯厂家手册中提供的速选图表,初选一磁芯型号代入以后的步骤进行计算。

★ 确定初级电感量

若考虑低端满载时,电路工作于电流临界连续状态,此时初级电感量计算公式如下:

l1=(vinmin×dmax)∧2/(2×f×po)

(vinmin为输入电压最小值,dmax为设定的最大占空比,f为开关频率,p0为输出功率。)增大l1取值时,电路开始工作于电流连续模式,原边电感量的选择可在l1计算值基础上,视具体情况作调整。

★ 确定初级峰值电流

设计时仍应考虑低端满载的情况。

电路工作于电流不连续或临界连续时,初级峰值电流

i1max=2×po/(vinmin×h×dmax)(h为预测效率值)

电路工作于电流连续模式时,初级峰值电流:

i1max=2×po/(vinmin×h×dmax)+(2×vinmin×t×dmax)/l1

★ 确定初级峰值电流确定初级线圈匝数和气隙

首先作出两点假设:

a、由于磁芯开气隙后剩磁br减小很多,认为br=0。

b、 由于气隙磁阻远大于磁路其他部分磁阻,认为磁势全部降于气隙处。

根据以上两点假设可得出初级电感量:

l1=(m0×ae×np)/d

(m0为空气磁导率,ae为气隙处磁芯截面积,d为气隙长度。)

工作最大磁感应强度:

bm=(i1max×np×m0)/d??? (bm为最大磁通密度)

选择最大磁感应强度bm后,联解以上两式可求出初级匝数n1,和气隙长度d,气隙长度的选取不宜过长,过长的气隙会导致主磁路磁阻增大,磁力线通过漏磁路闭合,会增加漏感和电磁干扰emi。

★ 计算并调整初、次级匝数

仍考虑低端满载情况,此时电流连续或临界连续,次级匝数:

n2=(vo+vd+io×r)×(1-dmax)×np/(vin×dmax)  (ud为输出整流管压降,io r为线路压降)

取初级或次级匝数中较小者,取整后,再由匝比关系推算其余绕组匝数。

★ 计算并确定导线线径

初级绕组电流有效值:

i1=sqr((i1max×(1-di)+di×di/3)×d)(di为电流增量,di=(vin×ton)/l1)

次级电流有效值:

i2=np×i1/n2

当电流较大时,导线采用多股并绕,每股直径不大于2倍穿透深度。

★ 校核窗口面积和最大磁感性强度

变压器绕制的基本要求是耦合紧密,以减小漏感。设计时有两种基本方法以增加绕组间耦合,一是双线并绕,常用于绕制输出正负绕组、原边绕组与去磁绕组等,要求并绕的绕组匝数相等且压差不能不能太高;另一种是夹绕的方法,将原边绕组均分为两层,夹副边绕组,也有多层夹绕的方法,由于结构复杂,我在二次电源变压器设计中没有采用。

双管反激变换器

1、电路拓扑图

2、电路原理

其变压器t1起隔离和传递储存能量的作用,即在开关管q1、q2开通时np储存能量,开关管q1、q2关断时np向ns释放能量,同时np的漏感将通过d2、d3返回给输入,可省去rcd漏感尖峰吸收电路。在输出端要加由电感器lo和两co电容组成一个低通滤波器。输出回路需有一个整流二极管d1(最好使用恢复时间快的整流管)。

3、工作特点

a、在任何工作条件下,为使两个调整管所承受的电压不会超过vs+vd (vs:输入电压;vd:d2、d3的正向压降,),d2、d3必须是快恢复管(当然用超快恢复管更好)。

b、在反激开始时,储存在原边np的漏电感的能量会经d2、d3反馈回输入,系统能量损失会小,效率高。

c、在与单端反激变换器相比,无需rcd吸收电路;功率器件可选择较低的耐压值;功率等级也会很大。

d、在轻载时,如果在“开通”周期储存在变压器的原边绕组显得过多的能量,那么在“关断”周期会将过多的能量能量反馈到输入。

e、两个调整管工作状态一致,我没有调试过这样电路,根据调试过的半桥和双管正激的电路经验,下管的波形会优于上管的波形,在调试过程中只要观察下管波形即可(具体可到“调试经验”中详见)。我个人建议在大功率等级电源中不可选用此种电路。

4、变压器计算

设计方法据参考书籍,与单端反激变换器变换器相同。但变压器漏电感必须小,可以减小d2、d3上的能量损耗,同时增加电源的效率。

单端正激变换器

1、电路拓扑图

2、电路原理

其变压器t1起隔离和变压的作用,在输出端要加一个电感器lo(续流电感)起能量的储存及传递作用,变压器初级需有复位绕组nr(此点上我对一些参考书籍存疑,当然有是最好,实际应用中考虑到变压器脚位的问题)。在实际使用中,我也发现此绕组也用rcd吸收电路取代亦可,如果芯片的辅助电源用反激供给则也可削去调整管的部分峰值电压(相当一部份复位绕组)。输出回路需有一个整流二极管d1和一个续流二极管d2。由于其变压器使用无气隙的磁芯,故其铜损较小,变压器温升较低。并且其输出的纹波电压较小。

3、变压器计算

一般来说高频变压器的设计可划分为以下六个步骤:

a、选择磁芯材料和磁芯结构形式。

b、确定工作频率,工作最大磁感应强度bm。

c、计算并初选磁芯型号。

d、计算并调整原、副边匝数。

e、计算并确定导线线径。

f、校核窗口面积和最大磁感应强度bm。

现就这六个步骤来讨论单端正激式变压器的设计:

★ 选择磁芯材料和磁芯结构形式

高频变压器磁性材料选择的标准为高初始磁导率μi、低矫顽力hc、高饱和磁感应强度bs、低剩磁br、高电阻率ρ和高居里温度点。磁导率高,变压器工作时励磁电流就小;矫顽力低则磁滞损耗比较小;高饱和磁感应,低剩磁,变压器工作时磁通变化范围db可以较大,相应减小了变压器体积;高电阻率,高频工作时涡流损耗比较小;高居里温度点,变压器工作温度可以相应提高,但以上各项要求不可能同时得到满足,不同的磁性材料存在其长处也必然存在不足,需视具体应用条件加以选择。一次电源工作频率一般选择在60khz~150kh

深圳市鹏拓发展电子
  • 联系人:马先生 林先生 马小姐

    975586346

  • 电话:0755-82773839
  • 邮箱: prydz168@qq.com
  • 地址:深圳市福田区华强北华联发大厦六楼635房
深圳市瑞斯特电子科技有限公司
  • 联系人:杨锐锋

    515035790

  • 电话:0755-82550910/13189682405
  • 邮箱:szruist@126.com
  • 地址:深圳福田区华强广场二楼Q2B046
北京元坤伟业科技有限公司
  • 联系人:刘先生

    1584878981/378319812

  • 电话:010-62104931/62104891/62104578/62106431/62104791
  • 邮箱:sale1@yuankun24.com
  • 地址:北京市海淀区中关村大街32号和盛嘉业大厦10层1008室