【文章內容簡介】 線性電源的缺點，具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。開關型穩(wěn)壓電源采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關的占空比調整輸出電壓，功率管工作在開關狀態(tài)，所以功耗小，效率高達70%95%。同時。開關電源直接對電網(wǎng)電壓進行整流，濾波、調整，然后由開關管進行穩(wěn)壓，不需要工頻變壓器，對于離線式開關電源，起隔離和電壓變換作用的變壓器是高頻變壓器，其工作頻率多為20KHz以上，因此其重量輕、體積小，從而使整個電源的體積大為縮小，重量也大為減輕。 ，其中，DCDC變換器用以進行功率變換，它是開關電源的核心部分，此外還有啟動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電阻檢測輸出電壓的變化，并與基準電壓比較，誤差電壓經過放大及脈寬調制（PWM）電路，再經驅動電路控制功率器件的占空比，從而達到調整輸出電壓大小的目的。3. 2主電路拓補結構3. 2. 1常用拓補結構 開關變換器的拓補結構指能用于轉換、控制和調節(jié)輸入電壓的功率開關元件和儲能元件的不同配置。開關變換器拓補結構可分為兩種基本類型，非隔離型和隔離型。 非隔離型電路即各種直流斬波電路，根據(jù)電路形式的不同，可以分為降壓型(Buck)電路、升壓型( Boost)電路、升降壓(BuckBoost)型電路、Cuk型電路。降壓型電路只能升壓不能降壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動大，輸出電流脈動小，結構簡單。升壓型電路只能升壓不能降壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動小，輸出電流脈動大，不能空載工作，結構簡單。升降壓型電路能升壓也能降壓，輸出與輸入極性相反，輸入輸出電流脈動大，不能空載工作，輸出與輸入極性相反，輸入輸出電流脈動小，不能空載工作，結構復雜[t2}10 隔離型電路指輸入與輸出側通過一高頻變壓器隔離，可實現(xiàn)多路輸出，常用的有正激式、反激式、推挽式、半橋和全橋。正激型電路較簡單，成本低，可靠性高，但變壓器單向勵磁，利用率低，適用于各種中小功率開關電源。反激型電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅動電路簡單，但難以達到較大的功率，適用于小功率場合。全橋型電路中變壓器雙向勵磁，容易達到較大功率，但電路結構復雜，成本高，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅動電路，有直通和偏磁問題，適用于大功率工業(yè)開關電源、焊接電源、電解電源等。半橋型電源變壓器處于雙向勵磁狀態(tài)，無偏磁問題，開關較少，成本低，但存在直通問題，可靠性低，需要復雜的隔離驅動電路，適用于各種工業(yè)開關電源、計算機用開關電源等。推挽型電源變壓器雙向勵磁，變壓器一次電流回路只有一個開關，通態(tài)損耗較小，驅動簡單，但存在偏磁問題，是其致命缺點，適用于低輸入電壓的開關電源。 由于本電源功率不高，屬中小功率，可采用單管正激電路作為主電路拓補結構。正激變換器的優(yōu)點是銅損較低，變壓器溫升較小，輸出紋波電流小，紋波電壓小，開關管的峰值電流較低，缺點是副邊輸出端須加一假負載，以保證電路工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)下，一定程度上影響了效率. 。TR為變壓器，純粹起變壓作用，Q為開關管，R為負載，輸出電感L為能量儲存及傳遞元件，Dz為導向二級管，D3為續(xù)流二極管。變壓器的另一繞組與二極管D、串聯(lián)后接至VB，這個繞組主要起去磁復位作用。當開關管導通時，能量由輸入側向輸出側傳遞，開關管關斷時，續(xù)流二極管D3和儲能元件L構成放能回路，繼續(xù)對負載供電。開關管導通時，功導通，D，反向截止，輸出電感L內的電流將線性增加，增量為: 其中，二為變壓器匝比，Vg為輸入電壓，V為輸出電壓，DT為導通時間。 開關管關斷時，D2受反壓截止，續(xù)流二極管D3導通，L通過續(xù)流二極管D3構成放電回路，如果忽略壓降，則電感L上的電壓等于輸出電壓，電流直線下降，下降量為:穩(wěn)態(tài)時，兩者相等，所以正激變換器輸出電壓: 當電感L較小，負載電阻較大，或Tx較大時，將出現(xiàn)電感電流己下降到。，新的周期卻尚未開始的情況，在新周期，電感電流從fl開始線性增加，這種工作方式稱電感電流不連續(xù)的模式。由于變換器工作在不連續(xù)工作狀態(tài)模型時，功率開關管和續(xù)流二極管會有較高的峰值電壓和電流，所以應盡量避免不連續(xù)工作狀態(tài)，這就需要儲能電感有足夠的容量。電感電流波形斜坡中點的電流值就是直流輸出電流，隨著輸出負載電流的改變，電感電流斜坡中點會發(fā)生變化，但斜坡的斜率不變，如果負載電流逐步降低，使電感電流的最小值剛好為fl時，即定義為臨界電流，此時的直流輸出電流等于斜坡幅值的一半，即:從為通常意義上的紋波電流，一般為最大直流輸出電流的10%^20%，設計紋波電流不應過大，以免增加流過儲能電感和開關器件的峰值電流，從而增加它們的體積和成本，與直流電流相比，紋波電流要小得多。 設計儲能電感時，應使穩(wěn)定工作時電路工作于此臨界電流之上，即有:此圖是整流電路，220V輸入，整流為300V電源用以給開關電源供電。其中J1為電源接頭，QF1是空氣開關，F(xiàn)1為熔斷器，F(xiàn)2為自恢復斷路器，L2，L3為扼流線圈，防止瞬時高壓脈沖，D2為正六千，電容C3，C4，C15，C16為穩(wěn)壓電容。開關電源總體電路如圖所示，T1是變壓器，P1是霍爾電壓傳感器，U1是光耦用來隔離高低壓，UC3842用于開關電源的PWM波形的產生，穩(wěn)壓芯片TL431調節(jié)電壓，R17是調節(jié)旋鈕。具體功能在下面介紹元器件是介紹。3. 3磁性元件設計3. 3. t磁性材料和結構 開關電源中的磁性元件常用的材料是軟磁材料。軟磁材料指的是剩磁和矯頑力均很小的鐵磁材料，特點是易磁化、易去磁且磁滯回線較窄。軟磁材料按照主要成分、磁性特點、結構特點分類，大致可分為三類:(1)金屬磁芯:硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金。除非晶及納米晶合金外，這類材料常用在頻率低于30KHz的場合，因而在開關電源中用得較少。 (2)磁粉芯:磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的一種軟磁材料，一方面可以隔絕渦流，故適用于較高頻率，另一方面，材料具有低導磁率及恒導磁特性，直流電流疊加性能好，主要用于高頻電感。常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。 (3)鐵氧體磁芯:鐵氧體是復合氧化物燒結體，有錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、銅鎂鋅鐵氧體等幾類，其中錳鋅鐵氧體的產量和用量最大。鐵氧體在應用上很方便，而且電阻率遠大于金屬磁性材料，可抑制渦流的產生，磁導率隨頻率的變化特性穩(wěn)定，在t SOKHz以下基本保持不變。此外，鐵氧體具有高的飽和磁感應強度。隨頻率增大，損耗上升不大，隨溫度提高，損耗變化不大。廣泛應用于功率扼流圈、并列式濾波器、關電源變壓器、開關電源電感、功率因數(shù)校正電路。 磁芯的基本結構有:(1)疊片型:通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成E, I, F, 0等形狀，疊成一個鐵心。 （2）環(huán)形鐵芯:由a型薄片疊成，也可由窄長的硅鋼、合金鋼帶卷繞而成，此形鐵芯繞線困難。 (3) C形鐵芯:此種鐵芯可免去環(huán)形鐵芯繞線困難的缺點，由兩個C形鐵芯對接而成，因此可用機械繞線，線圈可填滿整個窗口。 (4)罐形鐵芯(POT):它是磁芯在外，銅線圈在里，免去了環(huán)形線圈繞線不便的一種結構形式，可以減少EMI。 高頻變壓器在開關電源中起著重要的作用，它的主要目的是傳輸功率，實現(xiàn)輸入輸出兩側的電氣隔離。同時，可通過改變初次級的匝比來改變輸出電壓，也可增加匝數(shù)不同的次級，以達到獲得多輸出的目的。對功率變壓器的要求主要有以下幾個方面: (1)漏感要小。功率開關管關斷時電壓尖峰的大小和集電極電路配置、電路關斷條件以及漏感大小因素有關，僅就變壓器而言，減小漏感是十分重要的。 (2)避免瞬態(tài)飽和。對于高頻變壓器而言如果工作磁通密度選擇較大，在通電瞬，高頻變壓器的飽和即使是很短的幾個周期，也會導致功率開關管的損壞，因此有必要合理設計變壓器工作的磁通范圍，避免瞬態(tài)飽和. (3)考慮溫度影響。開關電源的工作頻率較高，要求磁芯材料在工作頻率下的功率損耗盡可能小，隨著工作溫度的升高，飽和磁通密度的降低應盡量小。在設計和選用磁芯材料時，除了關心其飽和磁通密度、損耗等常規(guī)參數(shù)外，還應特別注意它的溫度特性。 (4)合理進行結構設計。從結構上看，要保證變壓器的漏磁小，減小繞組的漏感。便于繞制，引出線及變壓器安裝要方便。便于散熱。 開關電源的輸入為交流電220V士20%}輸出電壓為5}30V連續(xù)可調，輸出電流最大值為SA，功率為150W。磁芯材料選擇廣泛應用的錳鋅鐵氧體，具體選擇南京新康達的功率鐵氧體LP3(相當于國外的PC40)磁芯。這種磁芯適用于中高頻段，在適用頻段內磁芯損耗低，磁通密度高，且損耗呈負溫度系數(shù)，可有效降低變壓器溫升。LP3的特性參數(shù)為:磁導率：飽和磁通：功率密度:采用面積乘積(AP)法設計變壓器。 式中，君為視在功率，取370W。凡為工作磁通密度，取125 mT。關為工作頻率，取45KHz。 K f為波形系數(shù)，方波取4: K}為變壓器銅窗占用系數(shù)。 .I為電流密度，取400A/c擴，故AP= cm4，查磁芯參數(shù)，據(jù)此選用磁芯結構為EE42121/20，即EE42A，它的各項參數(shù)為: 磁芯有效截面積 磁芯窗口面積 每平方匝電感量(1)計算初次級匝比 式中，YMc,},)為初級最小輸入電壓，氣為最大占空比，設為45%，為輸出電壓，為輸出端整流二極管壓降，求得n}3，%。（2）計算原邊、副邊及復位繞組匝數(shù) 原邊匝數(shù):其中為導通時間，為工作磁通范圍，即磁感應擺幅，為250mT副邊匝數(shù):輔助電源為20V，故輔助電源匝數(shù)為3a復位繞組匝數(shù):凡二凡二36 e當輸出SV時，%0驗證0B的合理性，當凡為36匝時，aB39。=244mT.飽和磁通B。 =299mT390mT，滿足EE42A磁芯的工作要求，磁芯不會飽和。(3)計算線徑[1]初級線徑初級電流,則初級電流有效值為，電流密度J為400A/cm2，故初級線徑。[2]次級線徑輸出電流，有效值,次級線徑。[3]去磁繞組線徑去磁繞組電感，磁化電流,去磁繞組線徑[4]輔助繞組線徑[5]考慮趨膚效應導線中流過高頻電流時，主電流和渦流之和在導線表面加強，越向導線中心越弱，電流趨于導體表面，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應。趨膚效應使導線中的電流密度從導線表面到中心按指數(shù)規(guī)律下降，導線的有效截面減小而電阻加大，銅耗加大，效率降低。因此，在計算變壓器各繞組線徑時有必要考慮趨膚效應的影響。定義趨膚深度為電流只在導線表層流過時其表層的厚度，用4表示，它與頻率的平方根成反比。 其中，f是工作頻率，是與物質和溫度有關的常數(shù)，對銅來說，20℃時，,100℃時，,當導線直徑大于2倍趨膚深度時，應盡可能采用多股導線并饒，當采用n股導線并饒時，每股導線的直徑為，考慮趨膚效應后各線徑的取值分別為: 初級繞組:36匝，, 4股并繞 次級繞組:12匝，, 4股并繞 復位繞組:36匝， 輔助電源繞組:3匝， 為了減小漏感，初級繞組和復位繞組采用間隔密繞。(4)估算損耗、溫升 變壓器損耗是開關電源損耗的重要組成部分，主要包括銅損和鐵損兩部分，而變壓器損耗使得線圈與磁芯溫度升高，溫升又使損耗進一步增加，如此惡性循環(huán)將導致變壓器損壞，因此設計時必須限制溫升在一個可接受的范圍。[1]銅損 銅損由繞線電阻造成，包括低頻損耗和高頻損耗，低頻損耗很容易計算，也比較容易解決，通過增大導體截面積以減小直流電阻即可降低損耗，高頻損耗由渦流損耗、趨膚效應、鄰近效應造成，很難精確確定。近似計算時，采用如下公式: 上式以2倍原邊銅損為估算基準，其中，為線圈平均匝長，, X為100℃時的單位銅阻，對的導線，, 4股并繞，X39。=。[2]鐵損 鐵損指的是和變壓器材料、形狀、工藝結構有關的高頻轉換損耗，主要是由磁滯和渦流造成的鐵芯損耗。磁滯損耗正比于頻率和磁感應擺幅e8 ,渦流損耗與每匝伏特數(shù)和占空比有關，而與頻率無關，即渦流損耗與磁通變化率成正比?？赏ㄟ^下式估算鐵芯損耗: 為磁芯單位體積損耗，為磁芯體積。[3]溫升 $4W。溫升，根據(jù)估算結果，變壓器溫升比較低，在允許范圍內，設計通過。 在正激式開關電源中，輸出濾波電感是能量儲存元件。當開關管導通時，能量儲存在電感內，開關關斷時，由電感向負載繼續(xù)提供能量。在電氣上的作用就是把開關方波脈沖積分成直流電壓。 濾波電感通常使用鋁坡莫合金(MPP)磁環(huán)，MPP有許多優(yōu)異的性能，包括高電阻率、低渦流損耗，在直流磁場下電感穩(wěn)定性好。下面介紹MPP電感的詳細設計過程。(1)確定磁環(huán)型號 首先由下式確定輸出電感的電感值: 其中，為輸出電流的紋波系數(shù)，,分別為輸出電壓、電流，其他量同上。 這個值是電感的最小值，若低于這個值，在輸出端流過最小額定負載電流時，電感電流會發(fā)生斷續(xù)。 對鑰坡莫合金來說，可以通過計算存儲在磁芯中的能量平均值來估算所需要的磁芯尺寸，有LI=，對照Magneties公司的曲線圖，考慮適當?shù)挠嗔浚业较鄳拇判拘吞?5076。它的外徑D=，內徑d=,高=。(2)計算繞組匝數(shù) 55076的每千匝電感量為56士8%mH/1000N， mH/。下面計算繞組匝數(shù):此時的直流偏置磁場為 式中，N為線圈匝數(shù)，為輸出電流，磁環(huán)磁路長度。 ，在該直流偏置磁場作用下，磁芯的磁導率將下降72%，從而導致線圈的飽和磁通下降，容易進入磁飽和狀態(tài)，電感量也將下降，無法滿足設計要求。為了解決這一問題，可增加繞組的匝數(shù):N39。 =N/72%=125匝(3)計算裸線面積首先計算流過線圈的峰值電流，其值等于直流輸出電流與紋波電流的二分之一之和，即 乙根據(jù)峰值電流確定線圈繞組的截面積，有對照漆包線參數(shù)表，選擇AWG