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单片开关电源设计要点及电子数据表格
沙占友,庞志峰,张苏英
摘要:单片开关电源设计要点及电子数据表格.开关电源效率(η)是指其输出功率(PO)与输入功率(PI)(即总功率)的百分比。需要指出,单片开关电源的效率随输出电压(UO)的升高而增加。
Abstract:
Key words :

1单片开关电源的设计要点

1.1电源效率的选定

开关电源效率(η)是指其输出功率(PO)与输入功率(PI)(即总功率)的百分比。需要指出,单片开关电源的效率随输出电压(UO)的升高而增加。因此,在低压输出时(UO=5V或3.3V),η可取75%;高压输出时(UO≥12V),η可取85%。在中等电压输出时(5V因电源效率η=PO/PI,故开关电源的总功耗PD=PI-PO=-PO=·PO(1)

PD中包括次级电路功耗和初级电路功耗。重要的是应知道初、次级功耗是如何分配的。损耗分配系数(Z)即反映出这种关系。

设初级功耗为PP,次级功耗为PS,则PP+PS=PD,Z=PS/PD,而1-Z=PP/PD。需要注意的是,次级功耗与高频变压器传输功率的大小有关,而初级钳位二极管的功耗应归入次级功耗之中。这是因为输入功率在漏极电压被钳位之前,已被高频变压器传输到次级的缘故。

1.2如何计算输入滤波电容的准确值

输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CIN值选的过小,会使UImin值大大降低,而输入脉动电压UR却升高。但CIN值取得过大,会增加电容器成本,而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CIN准确值的方法。

交流电压u经过桥式整流和CIN滤波,在u=umin情况下的输入电压波形如图1所示。该图是在PO=POM,fL=50Hz(或60Hz)、整流桥的响应时间tc=3ms、η=80%的情况下绘出的。由图可见,在直流高压UImin上还要叠加上一个幅度为UR的初级脉动电压,这是CIN在充放电过程中形成的。

欲获得CIN的准确值,可按下式进行计算:CIN=(2)

图1交流电压为最小值时的输入电压波形

图2正向恢复时间的电压波形

图3TOPSwitchⅡ等系列在230V交流输入时各电压参数的电位分布

举例说明,在宽范围电压输入时,umin=85V。取UImin=90V,fL=50Hz,tc=3ms,假定PO=30W,η=80%,一并带入式(2)中求出CIN=84.2μF,比例系数CIN/PO=84.2μF/30W=2.8μF/W,这恰好在(2~3)μF/W允许的范围之内。

1.3初级各电压参数的电位分布情况

下面详细介绍输入直流电压的最大值UImin、初级感应电压UOR、钳位电压UB与UBM、最大漏极电压

UDmax、漏源击穿电压U(BR)DS这6个电压参数的电位分

布情况,使读者能有一个定量的概念。

对于TOPSwitchⅡ系列单片开关电源,其功率开

关管的漏源击穿电压U(BR)DS≥700V,现取下限值700V,

其感应电压UOR=135V。本来初级钳位二极管的钳位电压UB只需取135V,即可将叠加在UOR上由漏感而造成的尖峰电压吸收掉,实际却不然。手册中给出UB参数值仅表示工作在常温、小电流情况下的数值。实际上钳位二极管(即瞬态电压抑制器TVS)还具有正向温度系数,它在高温、大电流条件下的钳位电压UBM要远高于UB。实验表明,二者存在下述关系:

UBM≈1.4UB(3)

这表明UBM大约比UB高40%。此外,为防止钳位二极管对初级感应电压UOR也起到钳位作用,所选用的TVS钳位电压应按下式计算:

UB=1.5UOR(4)

此外,还须考虑与钳位二极管相串联的阻塞二极管VD1的影响。VD1一般采用超快恢复二极管(SRD),其特征是反向恢复时间(trr)很短。但是VD1在从反向截止到正向导通过程中还存在着正向恢复时间(tfr),还需留出20V的电压余量。正向恢复时间定义为:给二极管施加一个正向瞬态电压,使之从电流为零的反向电压偏置状态转入正向电压偏置状态,直到管子的正向电压恢复到规定值所需要的时间间隔。设二极管正向压降的典型值为UF,这里讲的规定值即为1.1UF。正向恢复时间的电压波形如图2所示。由图可见,当给二极管加上正向瞬态电压时,管子由截止状态转变成导通状态的过程如下:管子的正向电压首先要从零上升到0.1UF,然后达到峰值电压UFM,再下降到1.1UF。规定从0.1UF恢复到1.1UF所需时间,即为正向恢复时间。需要注意,正向恢复时间(tfr)和反向恢复时间(trr)属于两个性质不同的特征参数。

考虑上述因素之后,TOPSwitchⅡ的最大漏源极

电压的经验公式应为:

UDmax=UImax+1.4×1.5UOR+20V(5)TOPSwitchⅡ各系列在230V交流固定输入时,初级电压参数对应于波形的分布情况如图3所示。此时u=230V±35V,即umax=265V,UImax=umax≈375V,UOR=135V,UB=1.5UOR≈200V,UBM=1.4UB=280V,UDmax=675V,最后再留出25V的电压余量,因此U(BR)DS=700V。实际上U(BR)DS也具有正向温度系数,当环境温度升高时U(BR)DS也会升高,上述设计就为芯片耐压值提供了额外的余量。

1.4根据IP值选择芯片的方法

单片开关电源的极限电流最小值ILIMIT(min),均是针对室温情况下定义的。若芯片工作在比较高的温度下,其额定值应减小10%,因此通常取初级峰值电流IP=0.9ILIMIT(min)。这表明在选择芯片时,可先将IP除以0.9,转换成ILIMIT(min)值,从有关参数表中查出符合上述要求且与该数值最为接近的TOPSwitch芯片。

在PO确定之后,采用连续模式能降低IP,允许使用功率较小的芯片。若要减小磁芯及高频变压器的尺寸,应适当增加初级脉动电流IR与峰值电流IP的比值KRP。KRP的取值范围是0~1.0。KRP愈大,磁芯尺寸愈小,其代价是需采用输出功率较大的芯片。另外,增大KRP值还意味着开关电源要向不连续模式过渡,此时初级电感量LP↓,IP↑,IRMS↑,导致η↓。因此,在选择KRP值时应权衡利弊,要在减小磁芯尺寸与保证尽量高的效率这二者之间,确定最优设计方案。

2电子数据表格的结构

在用计算机设计单片开关电源时,需借助于电子数据表格才能完成。这种表格的内容以高频变压器设计为主,其它外围电路及关键元器件参数计算为辅。单路输出式开关电源的电子数据表格共分6列。A列代表输入和输出的参数。B列中是由用户输入的数据。C列为计算过程中保留的数据,这些数据可作为中间变量,在前、后设计步骤中交叉使用。D列为计算结果。E列给出的是单位(SI制)。F列是对参数的说明。

举例说明:由TOP222Y构成的7.5V、15W单片开关电源模块,其交流输入电压范围是85V~265V,电压调整率SV=±0.5%(85V~265V),负载调整率SI=±1%(负载电流从满载的10%变化到100%),输出纹波电压最大值为±50mV。表1给出该模块所对应的电子数据表格,可供读者在设计开关电源时参考。需要指出,在设计和使用电子表格时,还可根据实际电路的要求,适当增加一些参数。例如在第16行下面插入TOPSwitch的极限电流最大值ILIMIT(max)参数,并注明由此选定的芯片型号,作为新的17行,原17行就改为18行,依次顺延。表中预留出的空行也是专为插入新参数而设置的。

表1设计7.5V、15W开关电源用的电子数据表格

A B C D E F
1 输入 中间过程 输出 单位 参数说明
2 参数 数据 保留数据 计算结果 7.5V、15W开关电源
3 umin 85 V 交流输入电压最小值
4 umax 265 V 交流输入电压最大值
5 fL 50 Hz 电网频率
6 f 100 kHz 开关频率
7 UO 7.5 V 直流输出电压
8 PO 15 W 输出功率
9 η 80 电源效率
10 Z 0.5 损耗分配系数
11 UFB 10.4 V 反馈电压
12 tc 3.2 ms 整流桥响应时间
13 CIN 33 μF 输入滤波电容
14
15 输入TOPSwitch的变量
16 UOR 85 V 初级绕组的感应电压
17 UDS(ON) 10 V TOPSwitch的漏-源导通电压

续表

18 UF1 0.4 V 次级肖特基整流管正向压降
19 UF2 0.7 V 反馈电路中高速开关整流管正向压降
20 KRP 0.92 初级脉动电流IR与峰值电流IP的比例系数
21
22 输入高频变压器的结构参数
23 EE22 铁氧体磁芯型号
24 SJ 0.41 cm2 磁芯有效横截面积
25 l 3.96 cm 有效磁路长度
26 AL 2.4 μH/匝 磁芯不留间隙时的等效电感
27 b 8.43 mm 骨架宽度
28 M 0 mm 安全边距(安全边界宽度)
29 d 2 初级绕组层数
30 NS 5 次级匝数
31
32 直流输入电压参数
33 UImin 93 V 直流输入电压最小值
34 UImax 375 V 直流输入电压最大值
35
36 初级电流波形参数
37 Dmax 51 最大占空比(对应于umin时)
38 IVAG 0.20 A 输入电流的平均值
39 IP 0.74 A 初级峰值电流
40 IR 0.68 A 初级脉动电流
41 IRMS 0.32 A 初级有效值电流
42
43 变压器初级设计参数
44 LP 623 μH 初级电感量
45 NP 54 初级绕组匝数
46 NF 7 反馈绕组线数
47 ALG 0.215 μH/匝 磁芯留间隙后的等效电感
48 BM 0.2085 T 最大磁通密度(BM=0.2~0.3T)
49 BAC 0.0959 T 磁芯损耗交流磁通密度(峰峰值×0.5)
50 μ 1845 磁芯无气隙时的相对磁导率
51 δ 0.22 mm 磁芯的气隙宽度(δ≥0.051mm)
52 α 16.85 mm 有效骨架宽度
53 DPM 0.31 mm 初级导线的最大外径(带绝缘层)
54 e 0.05 mm 估计的绝缘层总厚度(厚度×2)
55 DPm 0.26 mm 初级导线的裸线直径
56 公制线径 0.280 mm 初级导线规格
57 SP 0.0516 mm2 初级导线的横截面积
58 J 0.67 A/mm2 电流密度J=(4~10A)/mm2
59
60 变压器次级设计参数
61 ISP 7.95 A 次级峰值电流
62 ISRMS 3.36 A 次级有效值电流
63 IO 2.00 A 直流输出电流
64 IRI 2.70 A 输出滤波电容上的纹波电流
65
66 SSmin 0.546 mm2 次级线圈最小横截面积
67 公制线径 0.900 mm 次级导线规格
68 DSm 0.91 mm 次级导线最小直径(裸线)
69 DSM 1.69 mm 次级导线最大直径(带绝缘层)
70 NSS 0.39 mm 次级绝缘最大厚度
71
72 电压极限参数
73 UDmax 573 V 最高漏极电压估算值(包括漏感的作用)
74 U(BR)S 42 V 次级整流管最高反向峰值电压
75 U(BR)FB 59 V 反馈电路整流管的最高反向峰值电压
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