【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 關(guān)系： (225) 在VT導(dǎo)通期間，VD2反偏；在VT截止時(shí)，VD2正偏，供給負(fù)載功率；VT集電極承受的最大電壓值 ；另外電路的利用率不高，一般用在小功率輸出場(chǎng)合。 本章小結(jié) 開(kāi)關(guān)電源有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常用的是上面所提到的幾種，每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都要自己的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，所以只有仔細(xì)分析各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，才能決定自己的設(shè)計(jì)選擇哪種才是最優(yōu)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)各種拓?fù)潆娐返姆治?，結(jié)和一些其他因素，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 第三章 反激式開(kāi)關(guān)電源整體設(shè)計(jì) 任何一種開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)都要先從整體上了解和熟悉開(kāi)關(guān)電源的基本組成以及各部分的作用原理。其主電路主要包括：輸入整流濾波電路，開(kāi)關(guān)元件，變壓器，輸出濾波電路，控制電路等等。 反激式開(kāi)關(guān)電源的框圖設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。 整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動(dòng)電壓。但是，這種單向脈動(dòng)電壓往往包含著很大的脈動(dòng)成分，距離理想的直流電壓還差得很遠(yuǎn)。 濾波器由電容、電感等儲(chǔ)能元件組成。它的作用是盡可能地將單向脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。但是，當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，濾波器出直流電壓的幅值也將隨之而變化，在要求比較高的電子設(shè)備中，這種情況是不符合要求的。 電網(wǎng)提供的交流電一般為220V（或380V）。而各種電子設(shè)備所需要直流電壓的幅值卻各不相同。因此，常常需要將近電網(wǎng)電壓先經(jīng)過(guò)電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需要的直流電壓幅值。而反激式開(kāi)關(guān)電源的組成也和一般的開(kāi)關(guān)電源電路類似，圖31就是隔離反激式開(kāi)關(guān)電源的基本框圖。 PWM 控制器是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制, 使輸出一系列幅值相等而脈寬不相等的脈沖, 用這些脈沖代替正弦波或所需的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制, 既可改變逆變電路輸出電壓的大小, 也可改變輸出頻率。采用PWM 的逆變電路可同時(shí)解決改善電壓和波形的雙重任務(wù)。反激式開(kāi)關(guān)電源的組成也和一般的開(kāi)關(guān)電源電路類似，圖31就是隔離反激式開(kāi)關(guān)電源的基本框圖。 圖31 隔離反激式開(kāi)關(guān)電源的方框圖 設(shè)計(jì)思路： (1)設(shè)計(jì)一個(gè)整流濾波器和DC/DC變換器之間加入了功率因數(shù)校正電路。220V交流電經(jīng)整流供給功率因數(shù)校正電路，提高電源的輸入功率因數(shù)，同時(shí)降低了諧波電流，從而減小諧波污染。(2)設(shè)計(jì)反饋控制電路、保護(hù)電路、軟啟動(dòng)控制電路、浪涌吸收電路。(3)分析外圍元器件參數(shù)對(duì)電路性能指標(biāo)的影響。要解決開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性問(wèn)題，可從三個(gè)方面入手：第一，減小騷擾源產(chǎn)生的騷擾信號(hào)；第二，切斷騷擾信號(hào)的傳播途徑；第三，增強(qiáng)受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的兼容性時(shí)，可以綜合利用上述三個(gè)方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。(4)性能指標(biāo)的分析：對(duì)電源的轉(zhuǎn)換率，功耗，兼容性等各個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行分析。 輸入電路的設(shè)計(jì) 輸入保護(hù)器件隔離式開(kāi)關(guān)電源在加電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極高的浪涌電流，設(shè)計(jì)者必須在電源的輸入端采取一些限流措施，才能有效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)始導(dǎo)通的瞬間，電容對(duì)交流呈現(xiàn)出很低的阻抗，一般情況下，只是電容的E5R值。如果不采取任何保護(hù)措施，浪涌電流可接近幾百安培。 通常廣泛采用的措施有兩種，一種方法是利用電阻雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；另一種方法是采用負(fù)溫度系數(shù)(NTc)的熱敏電阻。用以增加對(duì)交流線路的阻抗，把浪涌電流減小到安全值。 電阻—雙向可控硅技術(shù)：采用此項(xiàng)浪涌電流限制技術(shù)時(shí)，將電阻與交流輸入線相串聯(lián)。當(dāng)輸入濾波電容充滿電后．由于雙向可控硅和電阻是并聯(lián)的，可以把電阻短路，對(duì)其進(jìn)行分流。這種電路結(jié)構(gòu)需要一個(gè)觸發(fā)電路，當(dāng)某些預(yù)定的條件滿足后，觸發(fā)電路把雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真地選擇雙向可控硅的參數(shù)，并加上足夠的散熱片，因?yàn)樵谒鼘?dǎo)通時(shí)，要流過(guò)全部的輸入電流。熱敏電阻技術(shù)：這種方法是把NTc(負(fù)溫度系數(shù))的熱敏電阻串聯(lián)在交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過(guò)橋式整流后的直流線上。圖32 熱敏電阻的特性曲線 當(dāng)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，熱敏電阻的阻值基本上是電阻的標(biāo)稱值。這樣，由于阻值較大，它就限制了浪涌電流。當(dāng)電容開(kāi)始充電時(shí)，充電電流流過(guò)熱敏電阻，開(kāi)始對(duì)其加熱。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著電阻的加熱，其電阻值開(kāi)始下降，如果熱敏電阻選擇得合適，在負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其阻值應(yīng)該是最小。這樣，就不會(huì)影響整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的效率。 反激式變換器的輸入端通常串聯(lián)保險(xiǎn)絲盒一個(gè)標(biāo)稱阻值幾歐到幾十歐的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），保險(xiǎn)絲的作用顯而易見(jiàn)，在電路出現(xiàn)短路或者過(guò)流時(shí)，為整個(gè)電路提供最后一道保護(hù)屏障。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻則在電路啟動(dòng)時(shí)起到了減小浪涌電流的作用。當(dāng)輸入端接通電源時(shí)，對(duì)于沒(méi)有PFC 功能的電路，輸入濾波大電容將造成輸入端出現(xiàn)大的浪涌電流，接入NTC 后，由于啟動(dòng)瞬間NTC 溫度較低，阻值較大，有效抑制了浪涌電流。隨著電源的工作，NTC 流過(guò)電流發(fā)熱，阻值減小，NTC 造成的線電壓損耗也隨之降低。由于保險(xiǎn)絲和熱敏電阻都屬于阻性元件所以選取時(shí)根據(jù)有效值電流計(jì)算。如圖七所示的電路中，輸出5V/2A，預(yù)估效率75%，我們選擇2A/250v的保險(xiǎn)絲。 輸入整流部分圖33 整流濾波電路 市電輸入一般為50Hz 或60Hz 的工頻信號(hào)，輸入整流二極管一般為高壓PiN 二極管，因此二極管的功耗主要是導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通損耗等于二極管的正向壓降與正向平均電流的乘積，對(duì)于交流正弦輸入和全橋整流的應(yīng)用，平均二極管電流等于有效值電流乘以正弦因子，計(jì)算公式如（31）： （31） = 所以理論上計(jì)算得到所需的二極管最大整流電流只需大于75mA。但是考慮到額定電流更大的二極管發(fā)熱更低，并且在大的輸入濾波電容作用下，流過(guò)整流二極管的電流波形為尖脈沖，為了增加二極管的壽命和可靠性，通常選擇額定電流遠(yuǎn)大于計(jì)算所得到的最大平均電流。整流二極管的另一個(gè)重要參數(shù)是最大反向工作電壓，橋式整流中，二極管承受的最大反向電壓即市電輸入最高電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，為了安全起見(jiàn)，一般選擇最大方向工作電壓為市電最高輸入電壓2 倍的二極管。圖33所示的電路中選取了1A/600V 的整流橋。 共模電感和輸入濾波電容的選取 共模電感和安規(guī)X 電容一起組成了共模濾波器。在開(kāi)關(guān)電源中，這兩者的參數(shù)相對(duì)變化較小。對(duì)于共模濾波器電感，電感量在幾mH 到幾十mH，一般情況下，功率越大時(shí)，共模電感的電感量越小。輸入濾波電容使整流后的半正弦信號(hào)變?yōu)橄鄬?duì)平坦的直流電，電容量的大小決定了直流的平坦度，輸入濾波電容上的電壓即變換器的輸入電壓，為了較為準(zhǔn)確地得到變換器輸入直流電壓的范圍，我們需要計(jì)算電容上電壓的波動(dòng)值。我們假設(shè)一個(gè)周期內(nèi)電容的充電時(shí)間為T(mén)ch，并且規(guī)定充電時(shí)間占周期時(shí)長(zhǎng)的百分比Dch，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，Dch ，我們得到如下的計(jì)算過(guò)程： （32） 其中，I 表示電容后接負(fù)載的平均電流，在電容上電壓波動(dòng)不大的情況下我們通過(guò)下式估算： （33） 其中Pin 為反激變換器的輸入功率，等于輸出功率與系統(tǒng)效率的比值。最后我們得到電容上電壓波動(dòng)范圍計(jì)算式如（34）： （34） 其中fin 表示工頻頻率，50 或60Hz，η為系統(tǒng)的效率。從上面的計(jì)算可以看出，變換器輸入直流電壓的波動(dòng)正比于輸入功率，反比于輸入電容容量。對(duì)于離線式反激式變換器，一般按照每W 輸出功率2—3μF 選取輸入濾波電容。在確定輸入濾波電容容量后，就可以得到變換器的輸入直流電壓范圍。例如，對(duì)于圖所示電路，輸入85V—265V 交流市電，取Dch=，得到如下計(jì)算結(jié)果： (35) （36） (37)在反激式變換器電路中。所使用的開(kāi)關(guān)晶體管必須符合兩個(gè)條件，即在晶體管截止時(shí)，要能承受集電極尖峰電壓，在晶體管導(dǎo)通時(shí)，要能承受集電極的尖峰電流。晶體管截止時(shí)所承受的尖峰電壓按下面的公式進(jìn)行計(jì)算： (38)式(38)中，是輸入電路整流濾波后的直流電壓，﹠是最大工作占空比。所謂占空比指的是晶體管導(dǎo)通的時(shí)間與晶體管的一個(gè)工作周期(導(dǎo)通時(shí)間十截止時(shí)間)之比。為了限制晶體管的集電極安全電壓，工作占空比應(yīng)保持在相對(duì)地低一些，一般要低于50％。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，這樣它就限制了集電極峰值電壓。按如下粗算考慮：交流輸入電壓85~265V，取220V，(有效值)，即是整流后的直流電壓99＝，實(shí)際取值漏極與源極電壓400V即可。第二個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是必須滿足晶體管在導(dǎo)通時(shí)的集電極電流的需求 （39） 式(39)中，IL是變壓器初級(jí)繞組的峰值電流而n是變壓器初級(jí)與次級(jí)間的匝數(shù)比。為了導(dǎo)出用變換器輸出功率和輸入電壓表達(dá)集電極峰值工作電流的公式，變壓器繞組傳遞的能量m可用下式表示： （310） 式(310)中，η是變換器的效率。 略去推導(dǎo)過(guò)程，由輸出功率和輸入電壓表達(dá)的晶體管工作電流的公式為 （311） ，所以 （312） 由式(312)可以計(jì)算得出Ic的大小，如下 （313） 結(jié)合以上兩個(gè)選擇晶體管的原則，選擇MOSFET11N60滿足我們的需要。變壓器的設(shè)計(jì)對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)十分重要，是整個(gè)設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一部分。下文主要進(jìn)行變壓器的參數(shù)的設(shè)計(jì)。變壓器是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，變壓器參數(shù)是否合適對(duì)整個(gè)電源的效率、紋波、輻射等方面有重要影響。反激式變換器的變壓器實(shí)際是一個(gè)耦合電感，它傳遞的是電流信號(hào)，因此匝比和輸出電壓沒(méi)有直接關(guān)系，但是匝比會(huì)影響初級(jí)開(kāi)關(guān)管和次級(jí)輸出二極管的電壓電流應(yīng)力。如果不考慮漏感尖峰電壓，那么關(guān)斷期間開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓等于輸入最大直流電壓加上次級(jí)反射電壓，輸出電壓一定時(shí)，變壓器匝比越大，反射電壓越高。另一方面，開(kāi)關(guān)閉合導(dǎo)通期間，次級(jí)輸出二極管承受的反向電壓為初級(jí)反射電壓加上輸出電壓，變壓器匝比越大，初級(jí)反射電壓越高，二極管承受的反向電壓也就越高。所以匝比的選取需要綜合考慮開(kāi)關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力。前面提到，反激式變換器的變壓器可以看做是耦合電感，初級(jí)電感量是變壓器最為重要的參數(shù)之一，它直接影響電流紋波和變換器的工作模式。根據(jù)第一節(jié)的關(guān)系式，初級(jí)電感量滿足如下關(guān)系： （314） 其中fsw 為開(kāi)關(guān)頻率。而電感中變化的電流與電感平均電流之間有如下關(guān)系： 圖34 初級(jí)電感電流波形圖如上圖重新給出初級(jí)電感電流波形，如果一個(gè)周期中開(kāi)關(guān)閉合期間，全部輸入能量存儲(chǔ)在初級(jí)電感中，那么輸入功率可以按如下關(guān)系求得： （315）由上面三個(gè)式子綜合得出初級(jí)電感量可以通過(guò)如下關(guān)系式求得： （316）前面提到過(guò)，對(duì)于最大輸出功率時(shí)對(duì)應(yīng)連續(xù)工作模式的反激式變換器，KRF 取在0 到1之間，而在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于85－265VAC 輸入的應(yīng)用，KRF － 之間選取，取值越大，電流紋波越大。仍然以圖七中電路為例，取KRF=，計(jì)算得到初級(jí)電感量如下： （317） 磁芯的選取應(yīng)同時(shí)考慮磁芯截面積Ae 和磁芯的窗口面積Aw，常用的經(jīng)驗(yàn)公式如下（摘自飛兆半導(dǎo)體《采用FPS 的反激式隔離ACDC 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)指南》）： （318） 式318中，Bmax 為磁芯最大磁通密度，必須小于飽和磁通密度，對(duì)于一般的鐵氧體磁芯， 左右，這里選取最大磁通密度Bmax － 之間。式中用到了開(kāi)關(guān)管的峰值電流和有效值電流兩個(gè)參數(shù)，在離線式反激式變換器中，開(kāi)關(guān)管電流波形和初級(jí)電感電流波形一致，因此，這兩個(gè)參數(shù)也就是初級(jí)電感峰值電流和有效值電流。從圖十一中可以看出，初級(jí)電感峰值電流由下式求得: （319） 取Bmax=，求得最小磁芯體積 （320）需要注意的是，根據(jù)上述計(jì)算得到的Ap 值只是一個(gè)起點(diǎn)，實(shí)際選取磁芯的Ap 值一般會(huì)比這個(gè)值大，甚至大很多。在