PAGE49第7章開關(guān)電源電路設(shè)計7-1正激式開關(guān)電源的設(shè)計7.1.1技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)見表7-1所示。表7-1正激式開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)項目參數(shù)輸入電壓單相交流100V輸入電壓變動范圍85Vac～132Vac輸入頻率50Hz/60Hz輸出電壓UO=5V輸出電壓變動范圍4.5V～5.5V輸出電流IO=20A7.1.2工作頻率的確定工作頻率對電源體積以及特性影響很大，必須很好選擇。工作頻率高時，變壓器和輸出濾波器可小型化，過渡響應(yīng)速度快。但主開關(guān)元件的熱損耗增大、噪聲大，而且集成控制器、主開關(guān)元件、輸出二極管、輸出電容及變壓器的磁芯、還有電路設(shè)計等受到限制。另外，還要注意變壓器繞組的匝數(shù)。因此，這里基本工作頻率選200kHz，則=5μs式中，為周期，為基本工作頻率。7.1.3最大導(dǎo)通時間的確定對于正向激勵開關(guān)電源，選為40%～45%較為適宜。最大導(dǎo)通時間為=（7-1）是設(shè)計電路時的一個重要參數(shù)，它對主開關(guān)元件的、輸出二極管的耐壓與輸出保持時間、變壓器以及和輸出濾波器的大小、轉(zhuǎn)換效率等都有很大影響。此處，選=42%。由式（7-1），則有=5μs0.42=2.1μs正向激勵開關(guān)電源的主回路結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。圖7-1正向激勵開關(guān)電源的主回路結(jié)構(gòu)7.1.4變壓器次級輸出電壓的計算如圖7-2所示，次級電壓與電壓++的關(guān)系可以這樣理解：脈沖電壓與包圍的矩形“等積變形”為整個周期的矩形，則矩形的“縱向的高”就是電壓平均值++，即（7-2）式中，是包含輸出扼流圈的次級繞組接線壓降，是輸出二極管的導(dǎo)通壓降。由此可見，圖7-2所示A面積等于B面積，C是公共面積，因此，加在負(fù)載上的電壓更小。圖7-2“等積變形”示意圖根據(jù)式（7-2），次級最低輸出電壓為=（7-3）若上式中，=0.2V，=0.5V（假設(shè)采用肖特基二極管），于是≈14.8V7.1.5變壓器次級輸出電壓的計算直流電壓的最小值采用由輸入回路計算的電壓值。此例中，根據(jù)交流輸入電壓的變動范圍85V～132V，取整流系數(shù)1.17，則=100V～155V，=100V，則有=6.76（7-4）7.1.6變壓器次級輸出電壓的計算變壓器初級繞組的匝數(shù)與最大工作磁通密度（高斯）之間的關(guān)系為=（7-5）式中，為磁芯的有效截面積（mm2）。輸出功率與磁芯的尺寸之間關(guān)系，見表2-3所示。根據(jù)表2-3粗略計算變壓器有關(guān)參數(shù)，磁芯選EI-28。它的有效截面積=85mm2，磁芯材料相當(dāng)于TDK的H7C4，最大工作磁通密度可由圖7-3查出。圖7-3H7C4材料磁芯的B-H特性實際使用時，磁芯溫度約為100℃，需要確保為線性范圍，因此在3000高斯以下，但正向激勵開關(guān)電源是單向勵磁，設(shè)計時需要減小剩磁。剩磁隨磁芯溫度以及工作頻率而改變。此處，工作頻率為200kHz，則剩磁約減為1000高斯，即在為1000高斯～3000高斯之間。變壓器次級有與式（7-5）一樣類似的表達(dá)式，故次級匝數(shù)為=≈1.83匝（7-6）取整數(shù)2匝。則變壓器初級匝數(shù)為==26.76=13.5匝取整數(shù)14匝。當(dāng)變壓器繞組匝數(shù)=14匝，=2匝時，則匝比=7。由式（7-4）計算變壓器次級電壓達(dá)不到要求，需要重新確定。根據(jù)式（7-3），得=≈2.09μs（7-7）根據(jù)式（7-1），得===41.8%開始假定為42%，但重新計算結(jié)果為41.8%，因此在40%～45%所要求的范圍內(nèi)，以下采用41.8%，即=2.09μs進(jìn)行計算。7.1.7變壓器次級輸出電壓的計算1．計算扼流圈的電感量流經(jīng)輸出扼流圈的電流如圖7-4所示，則為=（7-8）式中，為輸出扼流圈的電感（μH）。圖7-4扼流圈中的電流波形這里選為輸出電流（=20A）的10%～30%，從扼流圈的外形尺寸、成本、過程響應(yīng)等方面考慮，此值比較適宜。因此，按為的20%進(jìn)行計算。=0.2=200.2=4A由式（7-8），求得=≈4.6μH如此，采用電感量為4.6μH，流過平均電流為20A的扼流圈。若把變壓器次級繞組的輸出電壓與電流波形合并在一起，如圖7-5所示。在期間，為幅度14.8V的正脈沖，VD1導(dǎo)通，扼流圈電流線性上升，電感勵磁，磁通量增大；在期間，為零，VD2導(dǎo)通，扼流圈電流線性下降，電感消磁，磁通量減小。輸出給負(fù)載的平均電流為20A。穩(wěn)態(tài)時，扼流圈的磁通增大量等于減小量。圖7-5次級輸出電壓與電流波形2．計算輸出電容的電容量輸出電容大小主要由輸出紋波電壓抑制為幾mV而確定。輸出紋波電壓由以及輸出電容的等效串聯(lián)電阻ESRESR，是EquivalentSeriesResistance三個單詞的縮寫，翻譯過來就是“等效串聯(lián)電阻”。ESR的出現(xiàn)導(dǎo)致電容的行為背離了原始的定義。ESR是等效“串聯(lián)”電阻，意味著將兩個電容串聯(lián)會增大這個數(shù)值，而并聯(lián)則會減少之。確定，但輸出紋波一般為輸出電壓的0.3%～ESR，是EquivalentSeriesResistance三個單詞的縮寫，翻譯過來就是“等效串聯(lián)電阻”。ESR的出現(xiàn)導(dǎo)致電容的行為背離了原始的定義。ESR是等效“串聯(lián)”電阻，意味著將兩個電容串聯(lián)會增大這個數(shù)值，而并聯(lián)則會減少之。===15～25mV（7-9）又=ESR（7-10）由式（7-10），求得ESR===3.75～6.25mΩ即工作頻率為200kHz時，需要選用ESR值6.25mΩ以下的電容。適用于高頻可查電容技術(shù)資料，例如，用8200μF/10V的電容，其ESR值為31mΩ，可選6個這樣的電容并聯(lián)。另外，需要注意低溫時ESR值變大。流經(jīng)電容的紋波電流為==≈1.16A（7-11）因此，每一個電容的紋波電流約為0.2A，因為這里有6個電容并聯(lián)。此外，選用電容時還要考慮到負(fù)載的變化、電流變化范圍、電流上升下降時間、輸出扼流圈的電感量，使電壓穩(wěn)定的環(huán)路的增益等，它們可能使電容特性改變。7.1.8恢復(fù)電路設(shè)計1．計算恢復(fù)繞組的匝數(shù)恢復(fù)電路如圖7-6所示。VT1導(dǎo)通期間變壓器T1的磁通增大，T1蓄積能量；VT1截止期間釋放蓄積的能量，磁通返回到剩磁。圖7-6恢復(fù)電路（VT1截止時）圖7-6（a）的電路中T1上繞有恢復(fù)繞組，因此VT1截止期間，原來蓄積在變壓器中的能量通過VD4反饋到輸入側(cè)（暫存）。由于VT1截止期間恢復(fù)用繞組兩端的自感電壓限制為輸入電壓的數(shù)值，惟其如此，VD4才能導(dǎo)通把磁場能轉(zhuǎn)化為電場能反饋到輸入側(cè)。因此，這時變壓器初級繞組感應(yīng)電壓為=（7-12）的極性為上負(fù)下正。若主開關(guān)元件的耐壓為500V，使用率為80%，即400V。400-155=245V由式（7-12），求得=≈8.9匝取整數(shù)9匝。2．計算RCD恢復(fù)電路的電阻與電容VT1導(dǎo)通期間儲存在T1中的能量為=（7-13）式中，為初級繞組的電感量。VT1截止期間，變壓器初級感應(yīng)電壓使VD3導(dǎo)通，磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，在上以熱量形式消耗掉。中消耗的熱量為=（7-14）式中，為初級感應(yīng)電壓。因為=，聯(lián)立式（7-13）、（7-14），整理得=（7-15）因為輸入電壓最高時，開關(guān)管導(dǎo)通時間最短，把上式中的換成，換成，那么，加在VT1上的電壓峰值為=+=（7-16）由此，求得阻值為=（7-17）當(dāng)輸入電壓時，為==2.09≈1.35μs式（7-17）中有初級繞組的電感量是未知數(shù)，下面求解。Al-Value值由磁芯的產(chǎn)品目錄提供。EI-28，H7C4的A1-Value值為5950，則A1-Value=（7-18）由式（7-18），求得為=5950=5950≈1.16mH因此，由式（7-17），求得為=≈16kΩ時間常數(shù)比周期要大的多，一般取10倍左右，則=10=10≈3.13F3．計算主繞組感應(yīng)電壓把=155，=1.35μs代入式（7-15），得=≈245V7.1.9MOSFET的選用1．MOSFET的電壓峰值根據(jù)式（7-17），計算VT1上的電壓峰值為=155≈400V實際上，MOSFET的漏-源極之間的還疊加有幾十伏的浪涌電壓，波形如圖7-7所示。圖7-7加在主開關(guān)元件上的電壓波形圖7-8主開關(guān)元件上的電壓與電流波形1．MOSFET的電流及功耗根據(jù)變壓器安匝相等原理，MOSFET的漏極電流平均值為==20≈2.86A則=0.9=2.860.9≈2.57A=1.1=2.861.1≈3.14A、分別是開關(guān)管導(dǎo)通前沿與導(dǎo)通后沿峰值電流。VT1的電壓和電流波形如圖7-8所示，VT1的總功耗為=（7-19）式中，是MOSFET導(dǎo)通電壓，一般為在2V以下。采用功率MOSFET計算功耗時應(yīng)注意：（1）PN結(jié)溫度越高，導(dǎo)通電阻越大，超過100℃時，一般為產(chǎn)品手冊中給出值的1.5～2倍。（2）功率MOSFET功耗中，由于占的比例比較高，必要時加寬進(jìn)行計算。即在時，采用條件，或者時，采用條件進(jìn)行計算。另外，在期間，由于功率MOSFET的漏極電流極小，其功耗可忽略不計。因為=2.09μs，采用MOSFET產(chǎn)品手冊中給出的上升時間，采用下降時間。取=0.05μs，=0.12μs，則=2.09-0.05-0.12=1.92μs由式（7-19），求得為=≈7.3W結(jié)溫控制在120℃，環(huán)境溫度最高為50℃時，需要的散熱器的熱阻為==≈8.59℃/W（7-20）由此，需要8.59℃/W的散熱器，這時，由冷卻方式是采用自然風(fēng)冷還是風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷來決定散熱器的大小。散熱器大小與溫升一例如圖7-9所示。圖7-9功耗與溫升的關(guān)系7.1.10恢復(fù)二極管的選用恢復(fù)二極管選用高壓快速二極管，特別注意反向恢復(fù)時間要短。1．VD3的反向耐壓在期間VD3反偏，正極相當(dāng)于接地，加在VD3上的反向電壓等于電源電壓。當(dāng)輸入電壓最大時，VD3反偏電壓=155V。2．VD4的反向耐壓在期間VD4反偏，加在VD4上的反向電壓為電源電壓與恢復(fù)繞組感應(yīng)電壓的疊加，當(dāng)輸入電壓最高時，VD4反偏電壓為==155≈254.6V（7-21）7.1.11輸出二極管的選用輸出二極管選用低壓大電流SBD，特別注意反向恢復(fù)時間要短。這是因為MOSFET通斷時，由于二極管反向電流影響初級側(cè)的開關(guān)特性，功耗增大的緣故。1．整流二極管的反向耐壓在期間，由于輸出濾波電感反激，續(xù)流二極管VD2導(dǎo)通，主繞組感應(yīng)電壓=245V；次級電壓加在整流二極管VD1的兩端，因此，VD1的反向電壓為==245=35V（7-22）實際上，開關(guān)管截止時有幾十伏的浪涌電壓疊加在這電壓上。2．續(xù)流二極管的反向耐壓在期間VD1導(dǎo)通，加在續(xù)流二極管VD2上的反向電壓與變壓器次級繞組電壓的最大值相同，即==155≈22.1V（7-23）實際上，開關(guān)管導(dǎo)通時有幾V浪涌電壓疊加在這電壓上。加在VD1、VD2導(dǎo)通上的電壓波形如圖7-10所示。（a）整流二極管VD1兩端的電壓波形（b）續(xù)流二極管VD1兩端的電壓波形圖7-10輸出二極管電壓波形整流二極管VD1的功耗為=（7-24）續(xù)流二極管VD2的功耗為=（7-25）式中，為反向電流，為反向恢復(fù)時間，均采用產(chǎn)品手冊上給出的數(shù)值。有功耗時，輸出二極管的電壓和電流波形如圖7-11所示。（a）整流二極管VD1兩端的電壓波形（b）續(xù)流二極管VD1兩端的電壓波形圖7-11負(fù)載時輸出二極管電壓波形3．恢復(fù)二極管的反向耐壓當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，恢復(fù)二極管VD3截止，加在其兩端的反向電壓為==155≈288V（7-26）該電壓是輸出最高電源電壓與恢復(fù)繞組感應(yīng)電壓之和。7.1.12吸收電路參數(shù)的設(shè)計為降低主開關(guān)元件與輸出二極管兩端產(chǎn)生的浪涌電壓，需要設(shè)置浪涌電壓吸收電路。如果吸收電路中電容量大，則浪涌電壓就小，但功耗也大。因此，需要選用最佳電容和電阻。另外，阻容電路接入時要盡量靠近主開關(guān)元件與輸出二極管，元件引線包括接線要盡量地短。安裝時，輸出二極管的吸收電路的元件參數(shù)用試探法確定，這比設(shè)計時確定參數(shù)效果要好。主開關(guān)元件的吸收電路也是一樣，下面給出參數(shù)選擇的計算實例。圖7-12吸收等效電路與曲線采用圖7-12所示的等效電路與曲線。首先，確定橫坐標(biāo)軸與縱坐標(biāo)軸。（1）縱坐標(biāo)軸：=≈2.58（2）橫坐標(biāo)軸：式中，為變壓器的漏感，為從變壓器初級側(cè)看的負(fù)載電阻，是MOSFET產(chǎn)品手冊中給出的下降時間。==≈54Ω式中，是初級繞組電流有效值。==20≈2.86A設(shè)為24μH，則=≈3.7由縱坐標(biāo)軸的2.58與橫坐標(biāo)軸3.7的交點求得參數(shù)≈3.2。則主開關(guān)元件吸收電路中的電阻與電容分別為=543.2≈173Ω=≈1863pF7.1.13變壓器參數(shù)的計算設(shè)計變壓器時應(yīng)注意以下幾點：（1）輸入電壓最大或主開關(guān)元件導(dǎo)通時間最長（占空比在0.5以下）時，磁通不能飽和；（2）初、次繞組之間耦合良好，漏感應(yīng)小；（3）應(yīng)符合各種安全規(guī)格，有必要的絕緣和足夠的耐壓；（4）對于高頻工作的變壓器，因為趨膚效應(yīng)導(dǎo)線電阻增大，因此需要減小電流密度。頻率與電阻的關(guān)系如圖7-13所示。圖7-13銅導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)通常工作時，最大磁通密度由變壓器的次級繞組決定，次級繞組為=（7-27）式中，在輸入最高電壓時出現(xiàn)。采用的磁芯材料相當(dāng)于鐵氧體磁芯H7C4，一般為3000高斯以下。次級繞組最高電壓為==155≈22.1由式（7-27），求得=≈1.8匝取=2匝。根據(jù)式（7-6），通常工作時的磁通密度要小得多，為=≈1830高斯由前面計算初級繞組電流平均值=2.86mA，因此其電流有效值為該公式的推導(dǎo)過程復(fù)雜，在此從略。該公式的推導(dǎo)過程復(fù)雜，在此從略。==2.86≈1.85A（7-28）次級繞組的電流有效值為==1.85=12.95A或==20≈12.93A恢復(fù)繞組的電流平均值為==2.86≈1.84A其有效值為===1.84A≈1.57A初級繞組使用銅線為Φ0.62，電流密度為3.27A/mm2（=）；次級繞組使用銅條為Φ0.39，電流密度為4.8A/mm2；恢復(fù)繞組使用銅線為Φ0.62，電流密度為2.78A/mm2。閱讀資料：電流密度閱讀資料：電流密度變壓器繞組用漆包線的線徑需要仔細(xì)斟酌。如果繞組用漆包線太細(xì)，則電阻過大，熱耗較大。因此，漆包線的粗細(xì)指標(biāo)由其電流密度決定。電流密度為單位面積允許通過的電流（A／mm2），=，式中為電流有效值，為漆包線的截面積。由變壓器的允許溫度、磁芯溫度特性以及所使用的絕緣材料的最高使用溫度決定。變壓器的環(huán)境溫度是氣溫加上內(nèi)部上升的溫度，但要準(zhǔn)確計算出內(nèi)部上升的溫度是比較困難的，電流密度（或繞組損耗）與變壓器溫度上升之間關(guān)系是比較復(fù)雜的，自然風(fēng)冷與強(qiáng)迫風(fēng)冷有很大不同。自然風(fēng)冷時選為2～4A/mm2，強(qiáng)迫風(fēng)冷時選為3～5A/mm2較適宜。根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，一般來說變壓器較小時選用較大電流密度，而較大時選用較小的電流密度。7.1.14輸出扼流圈的計算輸出扼流圈用磁芯有EI（EE）磁芯、環(huán)形磁芯、鼓形磁芯等。設(shè)計時注意事項與變壓器一樣，磁通不能飽和，溫升應(yīng)在允許范圍內(nèi)。使用的磁芯也與變壓器一樣，采用EI-28，電感量在4.6μH以上。因為流經(jīng)線圈中的電流為20A，所以，使用0.5mm9mm的銅條，電流密度為≈4.44A/mm2采用上述銅條可以計算出最多只能繞6匝。H7C4材料磁芯的間隙與A1—Value之間的關(guān)系如圖7-14所示。=A1-Value（7-29）由式（7-29），需要的A1—Value值為A1-Value==≈127查看圖7-14所示曲線A1-Value值，可得間隙為1.4mm。最大磁通密度為=（A1-Value）10=12710≈1793高斯磁芯的最大磁通密度與變壓器一樣，需要在3000高斯以下。圖7-14間隙與A1-Value之間的關(guān)系正激式開關(guān)電源設(shè)計參數(shù)一覽見表7-2。表7-2正激式開關(guān)電源設(shè)計參數(shù)一覽項目參數(shù)工作頻率f200kHz占空比DminUImax=155VTONmin=1.35μsD=27.0%DmaxUImin=100VTONmax=2.09μsD=41.8%輸出功率P100W變壓器初級繞組匝數(shù)N1電感量電流平均值Ids電流有效值I1rms繞組結(jié)構(gòu)電流密度14匝1.16mH2.86A1.85AΦ0.623.27A/mm2次級繞組匝數(shù)電感量電流平均值IO電流有效值I2rms繞組結(jié)構(gòu)電流密度2匝—2012.95AΦ0.394.8A/mm2恢復(fù)繞組匝數(shù)電感量電流平均值電流有效值繞組結(jié)構(gòu)電流密度9匝—1.84A1.57AΦ0.622.78A/mm2磁芯型號有效截面積S剩磁通密度Bm最大磁通密度BmEI-2885mm21000高斯3000高斯開關(guān)管漏-源極最高電壓Udsp功率損耗PQ1熱阻Rfa400V7.3W8.59℃/W輸出濾波電感匝數(shù)導(dǎo)線電感量電流電流密度磁通密度Bm6匝0.5mm9mm4.6μH20A4.4A/mm21793整流二極管VD1反向電壓Urd135V續(xù)流二極管VD2最大反向電壓Urd222.1V恢復(fù)二極管VD3最大反向電壓Urd3155V恢復(fù)二極管VD4最大反向電壓Urd4254.6V7-2自激式開關(guān)電源的設(shè)計7.2.1自激式開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)1．自激式開關(guān)電源概述如圖7-15（a）所示為自激式開關(guān)電源的基本電路，也稱RCC電路，即阻尼振蕩變換器。廣泛應(yīng)用于50W以下的開關(guān)電源中。它不需要自勵式振蕩電路，結(jié)構(gòu)簡單，由輸入電壓與輸出電流改變工作頻率。（a）基本電路（b）電壓與電流圖7-15自激式開關(guān)電源波形電壓和電路波形如圖（b）所示。VT導(dǎo)通（）期間，變壓器T初級繞組從輸入側(cè)蓄積能量，在VT截止（）期間，變壓器T蓄積的能量釋放給負(fù)載。結(jié)束時，變壓器初級繞組感應(yīng)電動勢自由振蕩返回到零。VT基極連接的輔助繞組也稱正反饋繞組，因變壓器互感產(chǎn)生正反饋信號控制VT的通斷，即所謂自激振蕩。圖7-16所示為自激式開關(guān)電源的分時等效電路，、分別為初、次級繞組的電感。圖（a）期間開關(guān)管VT導(dǎo)通，初級繞組兩端所加電壓為，次級側(cè)濾波電容放電、電壓降低，供給負(fù)載輸出電流。這期間，變壓器初級繞組從直流電源吸收能量、電感勵磁；整流二極管VD中無電流，故變壓器初、次級繞組無相互作用。圖（b）期間開關(guān)管VT截止，T初級繞組沒有電流，故圖中未畫出。這期間，初級繞組吸收的能量耦合到次級側(cè)，整流二極管VD導(dǎo)通，一邊給電容充電、電壓升高，一邊給負(fù)載供電，變壓器初級繞組釋能、電感消磁。（a）期間（b）期間（a）期間（b）期間圖7-16自激式開關(guān)電源等效電路2．自激式開關(guān)電源的計算公式從轉(zhuǎn)到瞬間，初、次級側(cè)繞組的“安匝相等”原理仍然成立，因此，若變壓器初級側(cè)的能量全部傳遞給次級側(cè)，則（7-30）式中，、初、次級繞組的峰值電流。設(shè)匝比為=（7-31）式中，、為開關(guān)變壓器初次級繞組匝數(shù)。一般來說，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于。又=式中，、為變壓器初、次級繞組的電感量。則，初、次級繞組的電感量之比與繞組匝數(shù)平方成正比，即（7-32）傳遞給次級側(cè)的能量變?yōu)檩敵龉β?。設(shè)變壓器輸出功率為，則==（7-33）式中，是變壓器轉(zhuǎn)換效率，為開關(guān)頻率。（7-34）式中，是整流二極管導(dǎo)通壓降，是線路壓降。（1）初級電流峰值計算公式從變壓器初級側(cè)，電源輸入功率可表示為（7-35）式中，是變壓器初級電流平均值。從變壓器次級側(cè)，電源輸出功率可表示為（7-36）初級繞組三角波電流平均值與峰值的關(guān)系為（7-37）聯(lián)立式（7-35）～（7-37），得==（7-38）式中，占空比，它是自激式開關(guān)電源設(shè)計決定特性的重要參數(shù)。（2）初、次級匝比計算公式把式（3-7）變形，得（7-39）代入式（7-38），整理得=（7-40）（3）初級電感計算公式開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電壓加在變壓器初級兩端，在期間勵磁，勵磁電流在結(jié)束時達(dá)到峰值，則變壓器初級電感量為（7-41）把式（7-41）變形為，代入式（7-38），整理得（7-42）當(dāng)多路輸出時，如圖7-17所示，輸出功率為=+（7-43）圖7-17多路輸出電路3．開關(guān)管的電壓、電流與占空比的關(guān)系開關(guān)管的集電極電流就是，因此，根據(jù)式（7-35）可知∝（7-44）式（7-44）表明，開關(guān)管的集電極電流與成反比。由第3章式（3-8）可知，在期間，開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間所加電壓為=∝（7-45）式（7-45）表明，開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間所加電壓與成反比。如圖7-18所示，改變時，與相對值的改變。較大時，較小，但較高，因此，務(wù)必選用高耐壓開關(guān)管。較小時，也較低，但較大。當(dāng)=0.5時，和都比較合適。工程經(jīng)驗一般是在電壓最低時選0.3～0.5進(jìn)行參數(shù)設(shè)計。圖7-18所示為開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間的電壓波形。圖7-18VT電流和電壓與D之間的關(guān)系圖7-18VT集電極與發(fā)射極間電壓UCE閱讀資料：閱讀資料：三角波電流峰值與平均值如圖7-19所示為自激式開關(guān)電源初、次級繞組周期性三角波電流示意圖，其初級電流峰值和平均值之間有其內(nèi)在的數(shù)量關(guān)系。設(shè)電流的時間函數(shù)為式中，。那么，有=0時=時于是，可以表示為。因此，峰值為的三角波電流平均值為===（7-46）式中，。初級電流峰值和平均值之間的關(guān)系可以這樣理解：電流峰值與包圍的三角形“等積變形”整個周期的矩形，則矩形的縱向的高就是平均值。那么，如圖7-19所示紅色大三角的面積等于小三角與矩形面積之和，灰色梯形是公共面積。圖7-19初次級電流峰值與平均值次級電流峰值和平均值之間也有類似的關(guān)系，但次級繞組電流過程時間為，故，需要把公式中的換成，即=。7.2.2技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)見表7-3所示。表7-3自激式開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)項目參數(shù)說明輸入電壓單相交流100V說明輸入電壓變動范圍85Vac～132Vac輸入頻率50Hz/60Hz輸出電壓UO1=5V@3A次級繞組1UO2=12V@0.4A次級繞組2輸出功率19.8W變壓器效率η=95%7.2.3占空比與工作頻率的選定此處選定占空比=0.5，最低工作頻率為25kHz。自激式開關(guān)電源工作頻率太低時噪音較大，頻率較高時開關(guān)損耗增大，但可是變壓器、電容等小型化。7.2.4輸入直流電壓的計算的計算方法同正激式開關(guān)電源一樣。交流輸入電壓為85Vac～132Vac，如整流系數(shù)取1.17，則≈100V～155V7.2.5變壓器次級電流峰值、匝比以及初級電感和的計算當(dāng)輸入電壓最低，而輸出電流以過電流設(shè)定點的電流，即的1.2倍進(jìn)行計算。對于自激式開關(guān)電源，這時最大，而最低。1．變壓器次級電流峰值設(shè)變壓器效率=0.95，次級繞組1輸出二極管導(dǎo)通電壓=0.55V，線路壓降=0.35V。由=5V，計算次級繞組1輸出電壓為=++=5+0.55+0.35=5.9V同理，計算次級繞組2輸出電壓為=++=12+0.9+0.1=13V式中，=0.9V，=0.1V。輸出為5V的過電流設(shè)定點時的輸出電流為1.2，則變壓器輸出功率為=1.2+=5.931.2+130.4=26.4W根據(jù)式（7-38），得=≈1.11A式中，=40μs，==0.540=20μs。2．變壓器的匝比根據(jù)式（7-39），得=≈173．初級電感根據(jù)式（7-41），得=100≈1.8mH7.2.6磁芯的選用以及匝數(shù)、和的確定根據(jù)變壓器參數(shù)選用合適的磁芯，如果不合適，再重新選用，反復(fù)多次直到合適為止。這里還選用TDK的EEC28L磁芯，其磁芯與截面積如圖7-20所示。圖7-20磁芯與截面積的尺寸變壓器次級繞組1的匝數(shù)為>式中，為磁芯最大磁通密度（3000高斯），為磁芯的有效截面積（mm2）。代入有關(guān)參數(shù)，得>≈4.8匝選=5匝。則初級繞組的匝數(shù)為==517=85匝同理，次級繞組2的匝數(shù)為==5≈11匝7.2.7變壓器的設(shè)計1．變壓器繞組中的電流（1）初級繞組的電流當(dāng)輸入電壓最低，而輸出電流和最大時，變壓器各繞組的電流為最大。此時，輸出功率為=+=5.93+130.4=22.9W根據(jù)式（7-35），得=≈0.96A電流波形如圖7-21所示，則的有效值為==0.96≈0.40A（2）次級繞組1的電流根據(jù)輸出電流平均值，采用下式求得次級繞組1的電流峰值為==3=12A次級繞組1中的電流有效值為==≈4.9A（3）次級繞組2的電流根據(jù)輸出電流平均值，采用下式求得次級繞組2的電流峰值為==0.4=1.6A次級繞組2的電流有效值為==≈0.65A在圖7-21所示電流波形中，虛線代表電流的平均值。初、次級繞組的電流平均值分別由公式和求解。圖7-21變壓器繞組中的電流閱讀資料：閱讀資料：三角波電流峰值與有效值有效值也稱均方根值或稱方均根值，它的計算方法是先平方、然后在一個周期內(nèi)積分、除以、然后再開方；符號為rms。比如，幅度為100V而占空比為0.5的方波信號，如果按平均值計算，它的電壓只有50V，而按方均根值計算則有V。這是為什么呢？舉一個例子：有一組100伏的電池組，每次供電10分鐘之后停10分鐘，也就是說占空比為一半。如果這組電池帶動的是10Ω電阻，供電的10分鐘產(chǎn)生10A的電流和1000W的功率，停電時電流和功率為零。那么在20分鐘的一個周期內(nèi)其平均功率為500W，這相當(dāng)于V的直流電向10Ω電阻供電所產(chǎn)生的功率，而50V直流電壓向10Ω電阻供電只能產(chǎn)生的250W的功率。對于電機(jī)與變壓器而言，只要均方根電流不超過額定電流，即使在一定時間內(nèi)過載，也不會燒壞。如圖7-22所示為自激式開關(guān)電源初級繞組周期性三角波電流示意圖，其峰值和有效值之間有其內(nèi)在的數(shù)量關(guān)系。前述提到，電流的時間函數(shù)為，因此，峰值為的三角波電流有效值為===（7-44）式中，。圖7-22周期性三角波電流示意圖次級電流峰值和有效值之間也有類似的關(guān)系，但次級繞組電流過程時間為，故，需要把公式中的換成，即=。（4）輔助繞組的電流自激電源有給開關(guān)管供電的輔助繞組，假設(shè)輸入電壓最低時，基極電路需要12V電壓，據(jù)此求得==≈10.2匝選為10匝。開關(guān)管的基極電流峰值為==0.96/10=96mA式中，=10，這是因為高壓開關(guān)管的電流放大系數(shù)比較小。基極電流有效值為==96mA/≈39mA2．漆包線的規(guī)格的確定根據(jù)正激式開關(guān)電源的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這里電流密度以=4A/mm2進(jìn)行設(shè)計。先計算初級繞組所用的漆包線的線徑，需要的截面積為===0.1mm2截面積比計算的大的最細(xì)的漆包線內(nèi)徑為個Φ0.4，截面積為Φ0.1257mm2。初級用單股繞制，電流密度為3.2A/mm2，次級5V輸出繞組用Φ0.44，電流密度為3.33A/mm2，次級12V輸出繞組用Φ0.42，電流密度為2.63A/mm2。繞組的空間根據(jù)使用的磁芯與線圈骨架進(jìn)行計算，如圖7-23所示。圖7-23繞組空間圖7-24繞組截面示意圖3．變壓器的繞制方法變壓器的繞制方法漏感有較大影響，因此，繞制線圈的方法要保證初次級間耦合良好。確保初次級的絕緣是保證安全的重要措施，各國對安全規(guī)格、絕緣材料的厚度與絕緣距離都有明細(xì)的規(guī)定。這里采用圖7-24所示的繞制方法。初、次級繞組采用交互重疊繞制，使磁耦合最佳。在UL（美國）和CSA（加拿大）和安全規(guī)格要求中，一般會在線圈骨架兩端墊2mm厚得絕緣條，消除初次級以及3次繞組的表面的距離。為此，實際繞組空間高度24.2-22≈20mm。初次級以及3次繞組間疊入3層絕緣條，耐壓可達(dá)1250V。根據(jù)繞組空間高度，可計算各繞組繞幾層。對于初級繞組，每層繞的匝數(shù)為-1=-1=42.9匝，取42匝。式中，為繞組外線徑，層數(shù)為==2.02，取2層。4．變壓器的間隙初級繞組的電感為1.8mH，磁芯有間隙使Al-Value值減小。Al-Value的必須值為Al-Value==≈249（nH/）由圖7-25可知，間隙為0.5mm。圖7-25Al-Value值與間隙之間的關(guān)系圖7-26（a）是磁芯中間留有間隙，這對廠家依賴性較大，但在不易得到合適的Al-Value的磁芯時，必須修改適合于容易獲得的磁芯Al-Value值。圖7-25（b）是在磁芯中間墊入絕緣材料形成間隙而獲得的必要Al-Value值的方法。然而，這種方法的漏磁大，它是噪聲源，因此，盡量采用圖7-26（a）所示的方法。（a）中間有間隙（b）加入墊片形成間隙圖7-26Al-Value值與間隙之間的關(guān)系7.2.8極限工作參數(shù)匝比===17。（1）輸入電壓最低（=100V）當(dāng)輸入電壓=100V，輸出為5V，過流檢測點時的電流為3A1.2，輸出功率最大。=1.2+=5.931.2+130.4=26.4W根據(jù)式（7-40），有==≈1.1A根據(jù)式（7-41），有=≈19.8μs根據(jù)式（7-42），有=≈39.2μs因此，=≈25.5kHz，=50.5%。（2）輸入電壓最高（=155V）=+=5.93+130.4=22.9W根據(jù)式（7-40），有=≈0.79A根據(jù)式（7-41），有=≈9.2μs根據(jù)式（7-42），有=≈23.3μs因此，=≈42.9kHz，=39.5%。自激式開關(guān)電源極限工作參數(shù)，見表7-4。表7-4自激式開關(guān)電源極限工作參數(shù)項目參數(shù)匝比N1217匝初級繞組電感量L11.8mH輸入電壓UImin=100V輸出總功率P2初級峰值電流I1P頻率f開關(guān)管導(dǎo)通時間tON占空比D26.4W1.1A25.5kHz19.8μs50.5%輸入電壓UImax=155V輸出總功率P2初級峰值電流I1P頻率f開關(guān)管導(dǎo)通時間tON占空比D22.9W0.79A42.9kHz23.3μs39.5%7.2.9開關(guān)管的電壓與電流在不考慮浪涌電壓時，開關(guān)管波形如圖7-18所示，但實際的波形如圖7-27所示。是由于開關(guān)管從導(dǎo)通到截止時變壓器漏磁通由初級傳遞到次級的能量而形成的電壓。漏磁通的計算非常復(fù)雜，設(shè)計時采用下式≈（7-45）由于=100V，故=50V。圖7-27開關(guān)管的波形圖7-28恢復(fù)電路與吸收電路圖7-28示出初級的恢復(fù)電路與吸收電路?；謴?fù)電路的電阻此例中取33kΩ，但要根據(jù)工作時的波形適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，使=50。是初級回路中的電感而形成的浪涌電壓，可以在開關(guān)管C-E兩端并聯(lián)RC吸收電路限制其電壓峰值。開關(guān)管VT1集電極最高電壓為=+++=155+100+50+30=330V開關(guān)管VT1集電極峰值電流=1.1A。選擇晶體管時，結(jié)合開關(guān)管VT1的電壓、電流參數(shù)并留有余量，選擇性價比適當(dāng)?shù)木w管型號。7.2.9輸出二極管的選用1．整流二極管VD2的工作參數(shù)（1）確定二極管的反向耐壓整流二極管VD2中電流就是圖7-21所示的，但實際上要考慮開關(guān)管導(dǎo)通時，二極管的反向漏電流。二極管VD2的反向電壓為=+當(dāng)輸入電壓最大時，反向電壓最大值為=5+≈14V（2）確定二極管的功耗由于二極管的反向電流很小，功耗忽略不計，因此，這里只考慮二極管的正向?qū)ü?。二極管流經(jīng)正向電流時功耗為==≈2W2．整流二極管VD3的工作參數(shù)（1）確定二極管的反向耐壓整流二極管VD3中電流就是圖7-21所示的。二極管VD3的反向電壓為=+當(dāng)輸入電壓最大時，反向電壓最大值為=12+≈32V（2）確定二極管的功耗二極管流經(jīng)正向電流時功耗為==≈0.27W7.2.10輸出電容的選用流經(jīng)電容的紋波電流=-，如圖7-29所示。三角波電流的有效值為=式中，就是次級繞組1輸出的電流平均值。當(dāng)輸入電壓最低，輸出功率最大時，占空比≈0.5，因此的有效值最大為=≈4.9A圖7-295V濾波電容的紋波電流12V輸出電路中電容的紋波電流最大有效值為=≈0.65A5V輸出濾波電容選用耐壓10V，容量為1500μF的4個電容并聯(lián)，每個電容允許的紋波電流為1400mA，因此14004=5.6A>4.9A12V輸出濾波電容選用耐壓16V，容量為470μF的2個電容并聯(lián)。紋波電流較大時，在輸出回路中接入LC濾波器，抑制紋波電壓。7.2.11控制電路的選用自激式開關(guān)電源實例電路如圖7-30所示。5V輸出電壓通過光耦PC1進(jìn)行反饋，控制時間，穩(wěn)定輸出電壓。輸入電壓升高時，變小，變窄，從而使輸出電壓下降，保持輸出電壓穩(wěn)定。圖7-30自激式開關(guān)電源設(shè)計實例自激式開關(guān)電源設(shè)計參數(shù)一覽，見表7-5。表7-5自激式開關(guān)電源設(shè)計參數(shù)一覽項目參數(shù)工作頻率f25.5kHz～42.9kHz占空比Dmax39.5%～50.5%輸出功率P22.9W～26.4W變壓器初級繞組匝數(shù)N1電感量電流平均值電流有效值I1rms繞組結(jié)構(gòu)電流密度851.8mH0.24A0.40AΦ0.43.2A/mm2次級繞組1匝數(shù)電感量電流平均值IO1電流有效值I2rms繞組結(jié)構(gòu)電流密度5匝—3A4.9AΦ0.644.33A/mm2次級繞組2匝數(shù)電感量電流平均值電流有效值繞組結(jié)構(gòu)電流密度11匝—0.40A0.66AΦ0.422.63A/mm2輔助繞組匝數(shù)電感量電流平均值電流有效值繞組結(jié)構(gòu)電流密度10匝——39mA——開關(guān)管漏極-源極電壓Uds功率損耗熱阻Rfa330V——整流二極管VD2反向電壓Urd2正向?qū)ü腜f214V2W整流二極管VD3最大反向電壓Urd3正向?qū)ü腜f332V0.27W7-3反激式開關(guān)電源的設(shè)計7.3.1反激式開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)反激式開關(guān)電源的基本電路如圖7-31所示。其主回路與自激式開關(guān)電源基本相同，不同的是它的頻率f固定不變，由集成控制器輸出占空比可變的PWM，調(diào)整輸出電流。這種開關(guān)電源可輸出50W～150W的功率，也可以設(shè)計成多路輸出方式。圖7-31反激式開關(guān)電源的基本電路反激式開關(guān)電源的工作波形如圖7-32所示。圖（a）是電流連續(xù)模式（CCM），圖（b）電流斷續(xù)模式（DCM）。（a）CCM模式（b）DCM模式圖7-32反激式開關(guān)電源的工作波形當(dāng)輸出電流較小時，的后半期時有無電流（與）的期間。以電流連續(xù)模式為例，若初級電流的最小值與峰值之比為，如圖7-33所示，則有下列公式成立。=（7-46）（7-47）（7-48）圖7-33初級電流示意圖如果=0，這些等式與自激式開關(guān)電源的基本等式相同。式（7-47）、（7-48）可分別變形為（7-49）（7-50）把式（7-50）代入式（7-46），整理得=（7-51）由等式可知，值較大時，電流峰值也大，開發(fā)元件的損耗增加。反之，值較小時，加在開關(guān)元件兩端的電壓峰值減小，但變壓器體積增大。輸出電壓最低，輸出功率最大時，值選0.45～0.65較為適宜。7.3.2技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)見表7-6所示。表7-6自激式開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)項目參數(shù)說明輸入電壓單相交流220V說明輸入電壓變動范圍185Vac～235Vac輸入頻率50Hz輸出電壓UO1=5.1V@10A次級繞組1UO2=12V@1A次級繞組2輸出功率60W變壓器效率η=90%7.3.3占空比D、頻率f和輸出直流電壓的確定工作頻率設(shè)為=100kHz（=10μs），占空比=0.4，輸入直流電壓=200V～350V。7.3.4占空比D、頻率f和輸出直流電壓的確定設(shè)=0.6，變壓器效率=0.9，次級繞組1輸出二極管導(dǎo)通電壓=0.55V，線路壓降=0.35V。由=5.1V，計算次級繞組1輸出電壓為=++=5.1+0.55+0.35=6V同理，計算次級繞組2輸出電壓為=++=12+0.9+0.1=13V式中，=0.9V，=0.1V。輸出為5.1V的過電流設(shè)定點時的輸出電流為1.2，則變壓器輸出功率為=1.2+=6