开关电源电路设计要点与调试

开关电源电路设计要点与调试陶显芳2011.9.1412下面是本次技术交流的主要内容开关电源电路设计需要考虑的几个要素常用开关电源开关电源典型电路简介单IC开关电源自激式开关电源场效应管开关电源开关电源占空比与变压比的计算实例开关变压器初次级线圈匝数计算实例开关电源调试方法要点2希望从事开关电源设计的工程师对此感兴趣开关电源的输出功率成本体积工作效率工作频率输出负载特性输入电压特性开关电源电路设计需要考虑的几个要素以上几个要素互相联系，不能单独考虑3常用开关电源前面3种电源几乎占了目前电源市场的80%以上，由于时间问题，这里我们只能侧重讨论这3种开关电源的技术要点。后面5种电源主要用于输出功率大于150W以上，或功率密度要求较高的开关电源。1.单IC开关电源2.晶体管自激式开关电源3.场效应管反激式开关电源4.场效应管正激式开关电源5.半桥式开关电源6.全桥式开关电源7.推挽式开关电源8.软开关电源4单IC开关电源单IC开关电源通常把驱动电路和MOSFET开关管同封装在一个壳体内，体积很小，工作频率很高，输出功率一般比较小，大部份都小于10W，主要用于各种便携式充电器，或LED电源。开关电源典型电路简介5D1-D4R1D5C4C1R3C5C3U112345678VstrNCGNDVccDrainVfbFSD200GNDGNDN1D5R2C21234U2Z1N2RLT1AC220VFSD200单IC开关电源输出功率为4～5W（85～265Vac-50℃）图16FSD200单IC开关电源简介上图是一个采用仙童公司产品FSD200设计的单IC开关电源，FSD200采用LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)工艺，输出功率为4～5W（85～265Vac-50℃），其工作频率为130~138KHz来回跳动，其目的是使干扰信号的频谱不要集中在一点上，频谱越分散对EMC越有利。LDMOS与VDMOS的主要区别在于，前者内阻小，但功率也小，后者功率大，但内阻也相应增大，因此，VDMOS多为多个管芯并联。图中R3为输出电压取样电阻，Z1为基准电压，U2为光耦误差放大器，R2、C2、D5为RCD反尖峰吸收网络，R1为限流电阻，同时也兼做保险丝（保险丝电阻）用。此开关电源电路设计的难点是开关电源占空比D的选择和开关变压器参数的计算，这些问题，请参考我6月10日在深圳会展中心上所做的两个报告内容：《开关电源占空比的选择与开关变压器初次级线圈匝数比的计算》和《开关变压器伏秒容量的计算与测量》。根据FSD200的技术参数（BVm=650V），F=130kHz，可求得：占空比Dmax=0.306；N1=116匝，开关变压器可选用EE1616磁芯，线径为0.12mm；初次级线圈匝数比：Uo=(nUim＋Uo)Dmax——Uo为输出电压，Uim为最高输入电压，Dmax为最高输入电压时对应的占空比。7输出功率13W（85～265Vac-25℃）或23W（265Vac-25℃）R282KD1-D4R14.7D71N5819C4104C110/400R5330C61000uC333DCU1ICE2A0565N1D5UF400740071200PR2100KC21234U2EL817Z112345678NCIseneVccDrainFBSoftsGNDDrainN2N3R30.6R42KC52000PD6F4001ICE2A0565单IC开关电源图28ICE2A0565单IC开关电源简介上图是一个采用英飞凌公司产品ICE2A0565设计的单IC开关电源，ICE2A0565采用COOLMOS(高速二极管）工艺，输出功率为：13W（85～265Vac-25℃）或23W（265Vac-25℃），其工作频率为100KHz。图中R5为输出电压取样电阻，Z1为基准电压，U2为光耦误差放大器，R2、C2、D5为RCD反尖峰吸收网络，R1为限流电阻，同时也兼做保险丝（保险丝电阻）用，R3为限流取样电阻。此开关电源电路设计的难点也是开关电源占空比D的选择和开关变压器参数的计算，这些问题，请参考我6月10日在深圳会展中心上所做的两个报告内容：《开关电源占空比的选择与开关变压器初次级线圈匝数比的计算》和《开关变压器伏秒容量的计算与测量》，简要内容列于后面。根据FSD200的技术参数（BVm=650V），F=100kHz，可求得：占空比Dmax=0.306；N1=150匝，开关变压器可选用EE1919磁芯，线径为0.15mm；初次级线圈匝数比：Uo=(nUim＋Uo)Dmax——Uo为输出电压，Uim为最高输入电压，Dmax为最高输入电压时对应的占空比。9CASETEMPERATURETC(℃)COLLECTORPOWERDISSIPATIONPc(W)INFINITEHEATSINK带散热片集电极（漏极）耗散功率曲线图310这里需要特别注意的是，开关电源输出功率主要与晶体管或MOSFET的工作温度有关，还和开关变压器的温升有关。当晶体管或MOSFET管壳温度升高到75℃时，输出功率将会下降到最大输出功率的二分之一；当管壳温度升高到125℃时，输出功率将会下降到0（结温比壳温约高25℃）。凡是涉及到开关电源输出功率的问题，一定要注意开关电源使用温度的条件，所以图2开关电源输出功率的数值与图1开关电源输出功率，不能简单的进行数值对比，只有在同等工作条件下对比才有意义。特别值得指出的是，晶体管或MOSFET，还有开关变压器等器件的温升，与工作频率的关系，温升几乎是与频率的平方成正比，如要降低温升，首先要考虑降低开关电源的工作频率。关于频率的选择问题，以后有时间我们另外再讨论。一般规格书都是给出25℃条件下的数据，这意味着MOSFET要带一个无限大的散热片才能达到此参数。集电极耗散功率曲线的使用11开关电源占空比的计算12开关电源的占空比可根据下式求得：Upm=(Uim＋Upm)Dmax……………（1）（1）式中，Upm为变压器初级线圈产生感应电动势的最大峰值，此值与变压器的漏感大小有关，Upm大约比无漏感时的初级线圈产生的感应电动势的半波平均值Upa大5~8%。如果把上式括弧(Uim＋Upm)中的值换成BVm，则（1）式又可以改写为：Upm=BVm×Dmax…………（2）（2）式中，BVm=（Uim＋Upm），为电源开关管的最高耐压，Dmax为：当输入电压为最大值（Uim），且改变占空比使电源开关管两端电压达到最高耐压值时，此时占空比所能达到的最大值，即极限值。值得指出的是：占空比是随着输入电压变化而变化的，当输入电压为最大值时，此时动态变化的D应该为最小值Dmin，但（2）式中的极限值Dmax则另有意义，它表示：当输入电压为最大值，且此时的占空比D也达到极限值Dmax时，电源开关管将会过压被击穿。因此，实际工作中的最小占空比Dmin应该比（2）式中的Dmax小好多，一般取Dmin=0.7Dmax较为合适。图1和图2两个开关电源的IC耐压都是650V，当输入电压最大值为AC260V时，根据上面（2）式，及下面方法，就可以求开关电源的最小占空比Dmin。第一步，求极限占空比Dmax：Upm=BVm×Dmax——（2）已知：Uim=260×1.414=368（V）；BVm=650V；Upm=650－368=284（V）把上面结果代入（2）式：Upm=BVm×Dmax得：284=650×Dmax，即：Dmax=0.437第二步，求最小占空比Dmin：在实际应用中，为了安全，最小占空比Dmin最少要比极限占空比Dmax多留30%的余量，由此可求得：Dmin=Dmax×0.7=0.437×0.7=0.306…………（3）开关电源占空比计算实例13在反激式开关电源中，输出电压不但与占空比有关，而且还与开关变压器初、次级线圈的匝数比有关，而开关变压器初、次级线圈的匝数比是不可变的，一旦最小占空比Dmin确定之后，开关变压器初、次级线圈的匝数比也就确定了。开关变压器匝数比可根据下面方法求得：Uom=(nUim＋Uom)Dmin………（4）（4）式中的n为开关变压器初、次级线圈的变压比（n=U2/U1），Uom为输出电压的最大值，Uim为最高输入电压（最高工作电压），Dmin为最高输入电压条件下开关电源的最小占空比。开关变压器的变压比n与匝数比N两者在数值上稍有区别，两者进行转换时要考虑变压器的工作效率。这里的工作效率主要是只变压器的电压转换效率和整流输出效率，以及滤波电路的输出。开关变压器匝数比的计算14开关变压器伏秒容量的计算ccll219.0VXmmLIT1.计算变压器初级线圈匝数：)(1018rmBBSENVT)-(1rmNBBKSE…………(5)3.选取变压器磁芯气隙：4.对开关变压器初级线圈进行直流迭加测试：9.0VXmXmLTLEI2.求变压器伏秒容量：…………(6)（最小值）………(7)最大迭加直流：最大伏秒容量：…………(8)…………(9)最大伏秒容量一定要合格，不合格，需要推倒重来！详细内容请参考《开关变压器伏秒容量的计算与测量》一文。15开关变压器初级线圈匝数计算实例以图1的FSD200开关电源为例，根据工作频率F=130KHz，可求得周期T=7.5微秒，再根据占空比Dmin=0.306，求得Ton=2.3微秒。开关变压器的磁芯拟选用EE16型铁淦氧磁芯，取Bm=5000高斯，Br=2000高斯，S=0.25CM2，设最大直流输入电压为380V，代入N1计算公式求得：116)20005000(25.0103.2380)(10128rmBBSEN次级初级3mm宽度绝缘胶带绝缘胶带图416自激式开关电源早期使用的开关电源，大部分都是晶体管自激式开关电源，小功率晶体管自激式开关电源性能价格比很高，因此，目前在节能灯、LED灯、便携式充电器等方面还在广泛使用。开关电源典型电路简介17N1N3D2C3C3D310T1RF935.1VMJE130074700P51041484148D4C1815R2R3R4R5Z1V1V2D5N2C1C2C5D1-D4R1AC220V晶体管自激式开关电源图518图5是一个干电池充电器晶体管自激式开关电源工作原理图，图中V1（MJE13007）是电源开关管，V2是过流保护管，R3是过流保护取样电阻，R2是启动电阻，N2是反馈线圈绕组，其正半周输出用于正反馈，负半周输出用于输出电压稳定（占空比）控制取样，因此，开关电源变压器的正反馈线圈绕组与输出电压控制（稳压）取样信号共用一个线圈绕组。图5开关电源输出电压大小与C3两端电压的大小有关（即与N2负反馈绕组的输出电压有关），与稳压二极管的参数也有关。开关电源的工作频率以及占空比，主要由反馈回路中的电阻R5、电容C3的时间常数决定，但与稳压二极管的参数以及正反馈线圈的匝数也有关。晶体管自激式开关电源除了成本有优势之外，另一个特点是，其工作频率与占空比时刻在变化，并且其工作频率会随着负载加重而降低，因此，EMI（电磁干扰）相对来说要比采用固定工作频率的单IC开关电源低很多。晶体管自激式开关电源简介19电源开关管MJE1300X是摩托罗拉公司专门为节能灯开发的一种高速、抗饱和的高压晶体管，其耐压（BVceo）为400~700V，我们最好选用耐压为500V以上的晶体管。电源开关管的耐压越高，不但可靠性可以提高，同时占空比也可以取得高一些，电源的工作效率相应也会提高一些。图6是MJE1300X的等效电路图。目前国内仿制MJE1300X系列的管子型号非常多，使用时一定要注意耐压和输出功率以及其它参数。bce图6电源开关管MJE1300X等效电原理图MJE1300X晶体管简介20AC85~220VN1N2N3N4R2R3C1R4D1D2C5C2C3Z1D3D8C4D4D84.7V1T1330K20/400V400740071000u1u/16V9.1V4148MJIE130074700P510F40071K40074007D54148D64148D72