開關(guān)電源學(xué)習(xí)筆記

一、 開關(guān)電源常用的拓樸結(jié)構(gòu)(常用的有5 種)：

一、 開關(guān)電源常用的拓樸結(jié)構(gòu)(常用的有5 種)：

1、 正激電路(常用于低壓大電流，功率100 至500W 線路)

電路的工作過程：

當(dāng)開關(guān)S 開通后，變壓器繞組N1 兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的N2 繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。因此VD1 處于通態(tài)，VD2 為斷態(tài)，電感L 的電流逐漸增長;當(dāng)開關(guān)S 關(guān)斷后，電感L 通過VD2 續(xù)流，VD1 關(guān)斷。S 關(guān)斷后變壓器的激磁電流經(jīng)N3 繞組和VD3 流回電源。

變壓器的磁心復(fù)位：

開關(guān)S 開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨著時(shí)間的增加而線性的增長，直到S 關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設(shè)法使激磁電流在S 關(guān)斷后到下一次再開通的一段時(shí)間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。

正激的理想波形為：

變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間為：

Tist=N3*Ton/N1

輸出電壓：輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下：

Uo/Ui=N2*Ton/N1*T

磁心復(fù)位過程:

2、 反激電路(常用于100W 以下)

反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用，可以看作是一對(duì)相互耦合的電感。

電路的工作過程：

當(dāng)開關(guān)S 開通后，N1 電壓上正下負(fù)，N2 電壓下正上負(fù)，所以VD 處于斷態(tài)，N1 繞組的電流線性增長，

電感儲(chǔ)能增加;

當(dāng)開關(guān)S 關(guān)斷后，N1 繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過N2 繞組和VD 向輸出端釋放。S關(guān)斷后的電壓為：us=Ui+N1*Uo/N2

反激電路的工作模式：

電流連續(xù)模式：當(dāng)S 開通時(shí)，N2 繞組中的電流尚未下降到零，輸出電壓關(guān)系：Uo/Ui=N2*ton/N1*toff

電流斷續(xù)模式：S 開通前，N2 繞組中的電流已經(jīng)下降到零，輸出電壓高于上式的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，因此反激電路不應(yīng)工作于負(fù)載開路狀態(tài)。

反激電路的理想化波形：

3、 半橋電路

電路工作過程：

S1 與S2 交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2 的交流電壓。改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud 的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。當(dāng) S1 導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1 處于通態(tài);S2 導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2 處于通態(tài); 當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組N1 中的電流為零，VD1 和VD2 都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1 或S2 導(dǎo)通時(shí)電感L 的電流逐漸上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感L 的電流逐漸下降。S1 和S2 斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。由于電容的隔直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。

半橋電路的理想化波形:

4、 全橋電路

電路工作過程：

全橋逆變電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui 的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。

全橋電路的理想化波形：

5、 推挽電路：

電路工作過程：

推挽電路中兩個(gè)開關(guān)S1 和S2 交替導(dǎo)通，在繞組N1 和N’1 兩端分別形成相位相反的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。S1 導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1 處于通態(tài)，電感L 的電流逐漸上升;S2 導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2 處于通態(tài)，電感L 的電流也逐漸上升; 當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1 和VD2 都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1 和S2 斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為2 倍Ui; S1 和S2 同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。

二、保險(xiǎn)絲的選擇：

1、計(jì)算開關(guān)電源的最大輸入電流Imax=Po/(Vin(min)* η*PF),經(jīng)驗(yàn)上通常取Imax 的1.5 至3 倍。

2、選擇保險(xiǎn)絲的工作電壓:(一般標(biāo)準(zhǔn)電壓額定值系列為32V、125V、250V、600V。).如果電源輸入電壓為115VAC,那么FUAE 的工作額定電壓為125VAC;如果電源輸入電壓為115VAC/230VAC,那么FUSE 的工作額定電壓為250VAC.

3、選擇FUSE 的類型:1.慢熔,2.普通,3.快熔。

4、FUSE 的安裝方式兩種:1.PIG-TAIL，2.CLIP。

三、突波吸收器的選擇：

突波吸收器的保護(hù)原理：

突波吸收器在預(yù)備狀態(tài)時(shí)，相對(duì)于受保護(hù)的電子元件而言，具有很高的阻抗(數(shù)兆歐姆) 而且不會(huì)影響原設(shè)計(jì)電路的特性。但當(dāng)瞬間突波電壓出現(xiàn)(超過突波吸收器的崩潰電壓時(shí))，該突波吸收器的阻抗會(huì)變低(僅有幾個(gè)歐姆) 并造成線路短路，也因此電子產(chǎn)品或較昂貴的元件受到保護(hù)。一般常用07D471K(最大允許輸入電壓AC300V，DC385V;鉗位電壓775V，鉗位電流10A;額定功耗0.25W)，通常取輸入電壓的1.4 倍即可。

四、 熱敏電阻的選擇：

電源啟動(dòng)的瞬間，由于輸入端的濾波電容(即一次側(cè)濾波電容)短路，導(dǎo)致輸入電流很大，雖然時(shí)間很短暫，但也可能對(duì)電源產(chǎn)生傷害，所以必須在輸入端濾波電容之前加裝一個(gè)熱敏電阻，以限制開機(jī)瞬間輸入電流在規(guī)格之內(nèi)(115V/30A，230V/60A)，但因熱敏電阻也會(huì)消耗功率，所以不可放太大的阻值(否則會(huì)影響效率)熱敏電阻包括正溫度系數(shù)PTC 和負(fù)溫度系數(shù)NTC，以及臨界溫度熱敏電阻CTR 三種。PTC：阻值隨溫度的升高而增加;NTC：阻值隨溫度的升高而減少。一般使用SCK053(3A/5Ω)，若輸入端濾波電容使用較大的值，則必須考慮將熱敏電阻的阻值變大(一般使用在大瓦數(shù)的電源上)

五、 整流二極管的選擇：

初級(jí)整流管的選擇：

最大輸入電流確定最大輸出整流電流Io(通常取最大輸入電流的2 倍以上);確定反向峰值電壓Vrrm(一般取最大輸入電壓的3 倍左右)。通常選用一般類型的整流二極管就可以了(輸入在1A 以下的通常選用1N4007)。

次級(jí)整流管的選擇：

對(duì)于次級(jí)輸出整流部分，一般要選用快恢復(fù)、超快恢復(fù)以及肖特基等反向恢復(fù)時(shí)間較短的類型二極管。最大輸出電流必須大于客戶所提供的輸出電流;Vrrm=Vo*Np/Ns。作為高頻AC-DC 或DC-DC 開關(guān)變換器輸出整流用的功率二極管，應(yīng)當(dāng)具有正向壓降小、反向漏電流小、反向恢復(fù)時(shí)間短等特點(diǎn)。

六、 開關(guān)管的選擇

a) 確定Vdss(一般取整流后最高輸入電壓的2 倍以上);

b) 確定Id(一般取最大輸入電流的2 倍以上);

c) Rdon 越小，耗散功率越小;

d) Vgs(開啟電壓，15V 為最佳)。

e) Qg 值反映了MOS 驅(qū)動(dòng)的電流需求。Qg 值越大，則就要求較大電流的芯片驅(qū)動(dòng)它。因MOS 是電壓驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)電流幾乎可以忽略，最好是越小越好。

七、 高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法

面積乘積(AP)法：先求出磁芯窗口面積Aw 與磁芯有效面積截Ae 的乘積AP(AP=Aw X Ae,稱磁芯面積乘積)。反激變壓器需要要加氣隙。

a) 變壓器的視在功率Pt 計(jì)算：(隨線路結(jié)構(gòu)不同而選用不同的計(jì)算公式)

Pt=UoIo(1+1/η)---------------------------普通線路結(jié)構(gòu)

Pt=UoIo(1.414+1/η)-------------------單端正激線路結(jié)構(gòu)

Pt=UoIo[(1+1/η)x1.414]---------------推挽線路結(jié)構(gòu)

(效率由自己定，一般開關(guān)電源的效率在70%-90%之間，功率小的效率定小一些，而功率大的則可以定大一些)

b) 計(jì)算AP 值：

Ap=[Pt*104/(K0KfBwFsKj)]1/(1+x)

式中：

K0---------------------------窗口使用系數(shù)(K01)K0 主要與線徑、繞組數(shù)有關(guān)，一般典型值取0.4。

Kf------------------波形系數(shù)，有效值與平均值之比，正弦波時(shí)為4.44，方波時(shí)為4。

Bw-----------------工作磁通密度(T)，鎳鋅鐵氧體材質(zhì)鐵芯的工作磁通密度一般取0.26 至0.3T。通常設(shè)計(jì)的鐵氧體變壓器一般功率不大時(shí)，大約為0.20--0.25T。功率比較大時(shí)，要取小一點(diǎn)，0.15--0.20 左右

Fs------------------開關(guān)工作頻率(HZ)，一般取75KHZ 以下，開關(guān)頻率可依據(jù)控制IC 的Rt 和Ct 值確定，通常為Fs=K/Rt*Ct(K 為一常數(shù)，不同的控制IC，K 取值不同。)

Kj------------------電流密度比例系數(shù)

各種磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)表

鐵芯種類 Kj(允許溫升

25。C)

Kj( 允許溫升

50。C)

X

一般罐型磁芯 433 632 -0.17

鐵粉磁芯 403 590 -0.12

金屬疊片鐵芯 366 534 -0.12

C 型鐵芯 323 468 -0.14

單線圈 395 569 -0.14

帶繞鐵芯 250 365 -0.13

c) 根據(jù)AP 值，選擇相近型號(hào)磁芯：(通常AP 值加10%裕度選用)

d) 計(jì)算原邊繞組匝數(shù)Np：

Np=Vp * 104/(KfFsBwAe) 或 NP=Vp*Ton/(Ae*Bw)

式中：

Vp--------------------變壓器原邊最小輸入電壓。

Ae--------------------根據(jù)所選型號(hào)磁芯，查其數(shù)據(jù)手冊(cè)得知。

D---------------------占空比，最大以典型值0.5 為參考，而實(shí)際中常取0.35，正激的電源，占空比0.35-0.4

比較合適。

e) 計(jì)算原邊繞組電流Ip：

Ip=P0/(η*Vp)

Ipeak=Ip/[(1-0.5*Krp)*D] (Krp 一般取0.5 或0.6)

f) 計(jì)算電流密度J(A/CM2)：

J=KjAPx (電流密度J 一般取4~10A/mm2)

g) 計(jì)算原邊繞組裸線面積Axp(CM2)：

Axp=Ip/J

根據(jù)此值查詢AWG 導(dǎo)線規(guī)格表，可得