開(kāi)關(guān)電源學(xué)習筆記

一、 開(kāi)關(guān)電源常用的拓樸結構(常用的有5 種)：

一、 開(kāi)關(guān)電源常用的拓樸結構(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(xiàn)路)

電路的工作過(guò)程：

當開(kāi)關(guān)S 開(kāi)通后，變壓器繞組N1 兩端的電壓為上正下負，與其耦合的N2 繞組兩端的電壓也是上正下負。因此VD1 處于通態(tài)，VD2 為斷態(tài)，電感L 的電流逐漸增長(cháng);當開(kāi)關(guān)S 關(guān)斷后，電感L 通過(guò)VD2 續流，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。

變壓器的磁心復位：

開(kāi)關(guān)S 開(kāi)通后，變壓器的激磁電流由零開(kāi)始，隨著(zhù)時(shí)間的增加而線(xiàn)性的增長(cháng)，直到S 關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設法使激磁電流在S 關(guān)斷后到下一次再開(kāi)通的一段時(shí)間內降回零，這一過(guò)程稱(chēng)為變壓器的磁心復位。

正激的理想波形為：

變壓器的磁心復位時(shí)間為：

Tist=N3*Ton/N1

輸出電壓：輸出濾波電感電流連續的情況下：

Uo/Ui=N2*Ton/N1*T

磁心復位過(guò)程:

2、 反激電路(常用于100W 以下)

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

電路的工作過(guò)程：

當開(kāi)關(guān)S 開(kāi)通后，N1 電壓上正下負，N2 電壓下正上負，所以VD 處于斷態(tài)，N1 繞組的電流線(xiàn)性增長(cháng)，

電感儲能增加;

當開(kāi)關(guān)S 關(guān)斷后，N1 繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)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：

電流連續模式：當S 開(kāi)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

電流斷續模式：S 開(kāi)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算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，因此反激電路不應工作于負載開(kāi)路狀態(tài)。

反激電路的理想化波形：

3、 半橋電路

電路工作過(guò)程：

S1 與S2 交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui/2 的交流電壓。改變開(kāi)關(guān)的占空比，就可以改變二次側整流電壓ud 的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。當 S1 導通時(shí)，二極管VD1 處于通態(tài);S2 導通時(shí)，二極管VD2 處于通態(tài); 當兩個(gè)開(kāi)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)，各分擔一半的電流。S1 或S2 導通時(shí)電感L 的電流逐漸上升，兩個(gè)開(kāi)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，半橋電路對由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)導通時(shí)間不對稱(chēng)而造成的變壓器一次側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(guò)程：

全橋逆變電路中，互為對角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導通，同一側半橋上下兩開(kāi)關(guān)交替導通，使變壓器一次側形成幅值為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(guò)程：

推挽電路中兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1 和S2 交替導通，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 導通時(shí)，二極管VD1 處于通態(tài)，電感L 的電流逐漸上升;S2 導通時(shí)，二極管VD2 處于通態(tài)，電感L 的電流也逐漸上升; 當兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1 和VD2 都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。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)導通，相當于變壓器一次側繞組短路，因此應避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導通。

二、保險絲的選擇：

1、計算開(kāi)關(guān)電源的最大輸入電流Imax=Po/(Vin(min)* η*PF),經(jīng)驗上通常取Imax 的1.5 至3 倍。

2、選擇保險絲的工作電壓:(一般標準電壓額定值系列為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(lèi)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：

突波吸收器的保護原理：

突波吸收器在預備狀態(tài)時(shí)，相對于受保護的電子元件而言，具有很高的阻抗(數兆歐姆) 而且不會(huì )影響原設計電路的特性。但當瞬間突波電壓出現(超過(guò)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(xiàn)路短路，也因此電子產(chǎn)品或較昂貴的元件受到保護。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(即一次側濾波電容)短路，導致輸入電流很大，雖然時(shí)間很短暫，但也可能對電源產(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(kāi)機瞬間輸入電流在規格之內(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PTC 和負溫度系數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(一般使用在大瓦數的電源上)

五、 整流二極管的選擇：

初級整流管的選擇：

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(lèi)型的整流二極管就可以了(輸入在1A 以下的通常選用1N4007)。

次級整流管的選擇：

對于次級輸出整流部分，一般要選用快恢復、超快恢復以及肖特基等反向恢復時(shí)間較短的類(lèi)型二極管。最大輸出電流必須大于客戶(hù)所提供的輸出電流;Vrrm=Vo*Np/Ns。作為高頻AC-DC 或DC-DC 開(kāi)關(guān)變換器輸出整流用的功率二極管，應當具有正向壓降小、反向漏電流小、反向恢復時(shí)間短等特點(diǎn)。

六、 開(kāi)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(kāi)啟電壓，15V 為最佳)。

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

七、 高頻變壓器的設計方法

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(chēng)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 計算：(隨線(xiàn)路結構不同而選用不同的計算公式)

Pt=UoIo(1+1/η)---------------------------普通線(xiàn)路結構

Pt=UoIo(1.414+1/η)-------------------單端正激線(xiàn)路結構

Pt=UoIo[(1+1/η)x1.414]---------------推挽線(xiàn)路結構

(效率由自己定，一般開(kāi)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) 計算AP 值：

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

式中：

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

Kf------------------波形系數，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。通常設計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(kāi)關(guān)工作頻率(HZ)，一般取75KHZ 以下，開(kāi)關(guān)頻率可依據控制IC 的Rt 和Ct 值確定，通常為Fs=K/Rt*Ct(K 為一常數，不同的控制IC，K 取值不同。)

Kj------------------電流密度比例系數

各種磁芯結構常數表

鐵芯種類(lèi) 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(xiàn)圈 395 569 -0.14

帶繞鐵芯 250 365 -0.13

c) 根據AP 值，選擇相近型號磁芯：(通常AP 值加10%裕度選用)

d) 計算原邊繞組匝數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--------------------根據所選型號磁芯，查其數據手冊得知。

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) 計算電流密度J(A/CM2)：

J=KjAPx (電流密度J 一般取4~10A/mm2)

g) 計算原邊繞組裸線(xiàn)面積Axp(CM2)：

Axp=Ip/J

根據此值查詢(xún)AWG 導線(xiàn)規格表，可得