反激式开关电源设计详解(上)

电子科技大学杨忠孝（下）开关电源的拓扑结构分类•10W以内常用RCC(自激振荡)拓扑方式•10W-100W以内常用反激式拓扑（75W以上电源有PF值要求）•100W-300W正激、双管反激、准谐振•300W-500W准谐振、双管正激、半桥等•500W-2000W双管正激、半桥、全桥•2000W以上全桥反激开关电源特点•在开关电源市场中,400W以下的电源大约占了市场的70-80%,而其中反激式电源又占大部分,几乎常见的消费类产品全是反激式电源。优点：成本低,外围元件少，低耗能，适用于宽电压范围输入,可多组输出.缺点：输出纹波比较大。(输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器可以改善)•今天以自行车充电器为例，详细讲解反激开关电源的设计流程及元器件的选择方法。隔离开关电源框架结构图EMI整流滤波变压器次级整流滤波开关器件PWM控制IC隔离器件采样反馈输出高压区域低压区域电源电路原理图初级侧部分第一个安规元件—保险管•作用：安全防护。在电源出现异常时，保护核心器件不受到损坏。•技术参数：额定电压V、额定电流I、熔断时间I^2RT。•分类：快断、慢断、常规保险管的参数计算方法•0.6为不带功率因数校正的功率因数估值•Po输出功率•η效率（设计的评估值）•Vinmin最小的输入电压•2为经验值，在实际应用中，保险管的取值范围是理论值的1.5~3倍。•0.98功率因数值（PF）6.02min01inVPF98.02min01inVPF关于功率因数•大部分用电设备，其工作电压直接取自交流电网。所以电网中会有许多家用电器、工业电子设备等非线性负载，这些用电器在使用过程中会使电网产生谐波电压和电流。没有采取功率因数校正技术的AC-DC整流电路，输入电流波形呈尖脉冲状。交流网侧功率因数只有0.5~0.7，电流的总谐波畸变（THD）很大，可超过100%。采用功率因数校正技术后，功率因数值为0.999时，THD约为3%。为了防止电网的谐波污染，或限制电子设备向电网发射谐波电流，国际上已经制定了许多电磁兼容标准，如IEEE519、IEC1000-3-2等。相关知识关于功率因数•功率因数的校正(PFC)主要有两种方法：无源功率因数校正和有源功率因数校正。–无源功率因数校正利用线性电感器和电容器组成滤波器来提高功率因数、降低谐波分量。这种方法简单、经济，在小功率中可以取得好的效果。但是，在较大功率的供电电源中，大量的能量必须被这种滤波器储存和管理，因此需要大电感器和电容器，这样体积和重量就比较大也不太经济，而且功率因数的提高和谐波的抑制也不能达到理想的效果。–有源功率因数校正是使用所谓的有源电流控制功率因数的校正方法，可以迫使输入电流跟随供电的正弦电压变化。这种功率因数校正有体积小、重量轻、功率因数可接近1等优点。相关知识NTC电阻的作用•NTC（负温度系数）电阻，是以氧化锰等为主要原料制造的精细半导体电子陶瓷元件。电阻值随温度升高而降低且呈现非线性变化。利用这一特性，在电路的输入端串联一个负温度系数热敏电阻增加线路的阻抗，这样可以有效的抑制电路开机时产生的浪涌电压形成的浪涌电流。当电路进入稳态工作时，由于线路中的持续工作电流引起NTC发热，使得电阻器的电阻值变得很小，对线路的影响可以完全忽略。公式中：1.Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值；2.Rn是热敏电阻在常温Tn下的标称阻值；3.B是材质参数(常用范围2000K~6000K)；4.exp是以自然数e为底的指数（e=2.71828）；5.T1和Tn为绝对温度K（即开尔文温度），K度=273.15(绝对温度)+摄氏度；)]11([1nTTBnteRRNTC的选择依据压敏电阻的作用•压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间时，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。•主要作用：过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等。•主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。•压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比TVS管（瞬间抑制二极管）稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护，其响应速度可以满足电路要求。选取压敏电阻的方法•压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持续电流，在用作过压保护时必须考虑到这一点。压敏电阻的选用，一般选择标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数。•a为电路电压波动系数，一般取值1.2；•Vrms为交流输入电压有效值；•b为压敏电阻误差，一般取值0.85；•C为元件的老化系数，一般取值0.9；•√2为交流状态下要考虑峰峰值；•V1mA为压敏电阻电压实际取值近似值；•通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25℃情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过±10％时的最大脉冲电流值。VVbcaVVcbVVamArmsmArms042.48829.085.02202.111，，，，，选取压敏电阻的方法•结合前面所述，来看一下本电路中压敏电阻的型号所对应的相关参数。EMI电路•X电容，共模电感（也叫共模扼流圈），Y电容–根据IEC60384-14,安规电容器分为X电容及Y电容:•1.X电容是指跨与L-N之间的电容器,•2.Y电容是指跨与L-G/N-G之间的电容器.安规电容之--X电容•X电容多选用耐纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容。这种类型的电容,体积较大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。•X电容容值选取是μF级，此时必须在X电容的两端并联一个安全电阻,用于防止电源线拔掉时,由于该电容被充电荷没泄放而致电源线插头长时间带电。安全标准规定,当正在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电源线插头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来额定工作电压的30%。•作为安全电容之一的X电容,也要求必须取得安全检测机构的认证。X电容一般都标有安全认证标志和耐压AC250V或AC275V字样,但其真正的直流耐压高达2000V以上,使用的时候不要随意使用标称耐压AC250V或者DC400V之类的普通电容来代用。安规电容之--X电容•X电容主要用来抑制差模干扰•安全等级峰值脉冲电压等级（IEC664）•X12.5kV≤4.0kVⅢ•X2≤2.5kVⅡ•X3≤1.2kV——•X电容没有具体的计算公式，前期选择都是依据经验值，后期在实际测试中，根据测试结果做适当的调整。•经验：若电路采用两级EMI，则前级选择0.47uF,后级采用0.1uF电容。若为单级EMI，则选择0.47uF电容。（电容的容量大小跟电源功率没有直接关系）安规电容之--Y电容•单相交流电源输入分为3个端子：火线（L）/零线（N）/地线（G）。在火线和地线之间以及在零线和地线之间并接的电容,这两个Y电容连接的位置比较关键,必须要符合相关安全标准,以防引起电子设备漏电或机壳带电,容易危及人身安全及生命。它们都属于安全电容,从而要求电容值不能偏大,而耐压必须较高。•Y电容主要用于抑制共模干扰•Y电容的存在使得开关电源有一项漏电流的电性能指标。•工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.7mA;工作在温带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.35mA。因此,Y电容的总容量一般都不能超过4700PF（472）。Y电容的作用及取值经验•Y电容底下又分为Y1,Y2,Y3，Y4,主要差別在于:–1.Y1耐高压大于8kV,属于双重绝缘或加强绝缘|额定电压范围≥250V–2.Y2耐高压大于5kV,属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围≥150V≤250V–3.Y3耐高压≥2.5KV≤5KV属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围≥150V≤250V–4.Y4耐高压大于2.5kV属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围150V•JB151中规定Y电容的容量应不大于0.1μF。Y电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全余量，避免在极端恶劣环境条件下出现击穿短路现象，Y电容的耐压性能对保护人身安全具有重要意义。共模电感的作用•共模电感有A和B两个电感线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制方向相反)。当电路中的正常电流（差模电流）流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中会产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，抑制高速信号线产生的电磁波向外发射，达到滤波的目的。共模电感的设计•第一步：确定客户的规格要求，EMI允许级别•第二步：电感值的确定•第三步：core（磁芯）材质及规格确定•第四步：绕组匝数及线径的确定•第五步：打样•第六步：测试共模电感实物图共模电感中差模磁场示意图共模电感的设计•EMI等級:FccClassB•已知条件：C2=C7=3300pF•EMI测试频率：传导150KHz~30MHz。•EMC测试频率:30MHz~3GHz。•实际的滤波器无法达到理想滤波器那样陡峭的阻抗曲线，通常可将截止频率设定在50KHz左右。在此，假设Fo=50KHz。则共模磁芯的选择•以上，得出的是理论要求的电感值，若想获得更低的截止频率，则可进一步加大电感量，截止频率一般不低于10KHz。理论上电感量越高对EMI抑制效果越好，但过高的电感将使截止频率将的更低，而实际的滤波器只能做到一定的带宽，也就使高频杂讯的抑制效果变差（一般开关电源的杂讯成分约为5~10MHz之间）。另外，感量越高，则绕线匝数越多，就要求磁芯的ui值越高，如此将造成低频阻抗增加。此外，匝数的增加使分布电容也随之增大，使高频电流全部经过匝间电容流通，造成电感发热。过高的ui值使磁芯极易饱和，同时在生产上，制作比较困难，成本较高。共模磁芯的选择•从前述设计要求中可知，共模电感器要不易饱和，如此就需要选择低B-H（磁芯损耗与饱和磁通密度）温度特性的材料，因需要较高的电感量，磁芯的μi值也就要高，同时还必须有较低的磁芯损耗和较高的BS（饱和磁通密度）值，符合上述要求之磁芯材质，目前以铁氧体材质最为合适，磁芯大小在设计时并没有一定的规定，原则上只要符合所需要的电感量，且在允许的低频损耗范围内，所设计的产品体积最小化。•因此，磁芯材质及大小选取应以成本、允许损耗、安装空间等做参考。共模电感常用磁芯的μi约在2000~10000之间。共模电感圈数的计算•在本电路中，我们选用的磁芯型号为•TDKUU9.8•磁芯材质PC40•μi值2300•AL值500nH/N^2共模电感线径的计算•J为无强制散热情况下每平方毫米所通过的电流值，若有强制散热可选择6A。•Iin_avg输入电流平均值•2为常数整流桥（桥堆）的计算整流桥的耐压选择整流桥的耐电流选择5为输入电流有效值的倍数，经验值。所选整流桥的正向管压降所选整流桥的功率损耗计算BUCK电容容值的计算高压启动与RCD箝位电路•红线圈起的电阻为IC的高压启动电阻，电阻阻值的选择由IC特性决定。•蓝线圈起的部分为RCD箝位电路(也称为关断缓冲电路)。此部分电路主要用于限制MOS关断时高频变压器漏感的能量引起的尖峰电压和次级线圈反射电压的叠加，叠加的电压产生在MOS管由饱和转向关断的过程中，漏感中的能量通过D向C充电，C上的电压可能冲到反电动势与漏感电压的叠加值，即：Vrest+ΔVpp。C的作用则是将该部分的能量吸收掉，其容量由下式决定：C=（Le×Isc2）/（Vrest+ΔVpp）2-Vrest2这里的，Le：漏感，单端反激一般为40~100uH，低于40uH可不考虑，一般取50uH计算；Vrest：反电动势；2*n*VoutΔVpp：漏感电动势的峰值；8%*VrestIsc：短路保护时变压器初级线圈流过的最大电流。Ipk^2RCD电路电阻、二极管的计算•电阻R：在变压