反激式开关电源原理与工程设计

反激式开关电源原理与工程设计一．反激式开关电源的原理分析二．反激式开关电源实际电路的主要部件及其作用三．反激式开关电源电路各主要器件的参数选择四．反激式开关电源pcb排板原则五．变压器的设计六．反激式开关电源的稳定性问题反激式开关电源原理与工程设计一．反激式开关电源的原理分析1.反激式开关电源电路拓扑UiVT12.为什么是反激式a.变压器的同名端相反b.利用了二极管的单向导电特性3.电感电流的变化为何不是突变电压加在有电感的闭合回路上，流过电感上电流不是突变的，而是线性增加。愣次定律：a.当电感线圈流过变化的电流时会产生感生电动势，其大小于与线圈中电流的变化率成正比；b.感生电动势总是阻碍原电流的变化4.变压器的主要作用与能量的传递理想变压器与反激式变压器的区别反激式变压器的作用a.电感（储能）作用遵守的是安匝比守恒（而不是电压比守恒）储存的能量为1/2×L×Ip2b.限流的作用c.变压作用初次级虽然不是同时导通，它们之间也存在电压转换关系，也是初级按匝比变换到次级，次级按变比折射回初级。d.变压器的气隙作用扩展磁滞回线，能使变压器更不易饱和磁饱和的原理图电感值跟导磁率成正比,导磁率=B/HB是磁通密度H是磁场强度简单一点,H跟外加电流成正比就是了，增加电流,磁流密度会跟着增加,当加电流至某一程度时,我们会发现,磁通密度会增加得很慢,而且会趋近一渐近线.当趋近这一渐近线时,这时的磁通密度,我们就称為饱和磁通密度,电感值跟导磁率成正比,导磁率=B/HB是磁通密度,H是磁场强度(电流增加,H会增加.)H会增加,但B不会增加,导磁率变化量会趋近零啦!电感值跟导磁率变化量成正比,导磁率变化量趋近零,那电感值会是多少?零5.开关管漏极电压的组成a.高压为基础部分b.折射回来的电压部分c.漏感产生的尖峰部分波形6.反激式拓扑开关电源有两种工作模式：(1)完全能量转换，也叫做非连续导通模式。该模式的特点是，变压器在储能周期中储存的所有能量在反激周期都转移到输出端。(2)不完全能量转换，也叫做连续导通模式。存储在变压器中的一部份能量保留到下一个储存周期开始。工作模式是由初级电流和负载电流决定的2、结合图1以非连续导通模式为例分析反激式开关电源的工作原理。该模式反激式拓扑开关电源的一个工作周期中有励磁、去磁、非连续导通三个阶段。(1)励磁阶段：当开关VT1导通时，变压器初级励磁电感中的电流从零开始上升。由于次级边的二极管具有单向导通性，此时二极管反偏，在次级不导通电流，输出滤波电容C向负载供电。由于此阶段的作用是向初级励磁电感补充能量，以为在下一个阶段向次级绕组转移能量做准备，因此这个阶段被称为励磁阶段。(2)去磁阶段：当励磁阶段结束后，VT1停止导通。由于电感电流不能突变，励磁电感电流开始在初级电感上续流，能量通过变压器转移到输出端，在次级边上，二极管正向导通，输出端得到能量。此时，励磁电感上的电压反向，励磁电流开始下降，因此该阶段被称为去磁阶段。(3)非连续导通阶段：当励磁电感的电流下降到零时，变压器初级边的能量己经完全转移到次级边，次级边上二极管不再导通。此时反激式拓扑中的初级和次级绕组都不导通电流，等待着下一个周期的到来。在连续导通模式下，不存在这个阶段。7．电流控制模式电流控制模式特点：有两个反馈环1.一个由电流检测电阻输入电压和脉宽调制器组成响应速度快的内环组成2.一个由分压电阻、误差放大器组成的响应速度慢的外环二．反激式开关电源实际电路的主要部件及其作用1.实际电路（1）X1CAPR18.6MΩR27.5MΩR32MΩR42MΩD5FR106C44.7nFY12.2nF+C147uFVTSP6KE200T1EEL25+C547uF+C63300uF+C73300uFF11AU2PC817DD1-D4IN5819D7STPS30LD6BAV20+C81000uFL34uHL42.2uHU3TL431R791ΩR82KΩR922KΩR1010KΩR1110KΩR315.4KΩR66.8ΩC10100nFC94.7uFC21005V4ADVC~220VSXVSR5ΩL110mHU1TOP256MND8MUR120+C347uF2.我司电路a.FD9022b.FD9020R10NCR91K/0805EC3NCCY1222Title:Rev:Size:DocumentNumber:Date:Sheet:ofBThursday,February26,2015A0SCHEMATIC111FD9020DB_DEMOD5FR207D6IN4007EC24.7uF/50VD7SR3100IC2PC8171234C1047nFR161K/0805R82K/0805R1418K/0805C9104R114.7K/0805IC3TL431CLF140mH1234R11M/1206R21MK/1206T1EE251254108D8SR3100EC147uF/400VC4472/1KVD11N4007*4C5100nF/0805R131R/1WD2D3D4FD9020IC1VDD1FB2CS4DRAIN5DRAIN6GND7GND8NC3T2AL250VACF1RV110D471KC10.1uF/275VX电容C20.1uF/275VX电容R562K/1WR4500KR1210R/1206EC71000uF/25VL23uH/2AEC61000uF/25VC6NCRT1NTCC13102/1KVR1747RGND12V12VGNDC11332C12332CN1SIP41234U1LNGNDR10NCR91K/0805EC3NC12C3NCCY1NCZD1NCR6NCR7NCACLND5FR10712D6IN400712EC24.7uF/50V12D7SR36012EC10220uF/35V12EC9100uF/35V12L510uHU2PC8171234C1047NFR161K/0805R82K/0805R143K/0805C9104R113K/0805U3TL431CLF1UU_9.825mH1234R11M/1206R21MK/1206T1EF25_120512546108D8SR36012EC122uF/450V12C21NF/1KVR15510R/1206D11N4007*412C5100NF/0805R51R/1WD212D312D412FD9020U1VDD1FB2CS4DRAIN5DRAIN6GND7GND8NC3T2AL250VACNTC10D_9SWNCRV110D471KC10.1uF/275VX电容C40.1uF/275VX电容R1262K/1WR31MR41MCY2222MY电容R1310R/1206D10FR15412R1910K/1206EC51000uF/16V12EC71000uF/16V12R22NCC8NCL210UH/2AL310UH/2ACON4EC61000uF/10V12C6NCEC8470uF/10V12EC11NC12R21510R/0805C7NCD11FR15412CN71234567GND24VGND5V5VGND4V三．反激式开关电源各主要器件的参数选择1.输入电路设计保险丝最好用延迟型的保险丝，平均电流的5倍热敏电阻10欧/耐压问题，10mm，14mm，20mm共模滤波器5倍的平均电流，25—40MH安规电容交流250V--275V的X2电容;Y2安规电容交流250V--275V压敏电阻10mm,14mm470V---680V耐压的2.交流整流管的参数选择整流管选用600V—800V的管子；额定电流为最大电流3-5倍，习惯选5倍3.输入滤波电容选择1W/1.5--2U,耐压为最高电压+（30—50V）例如265V×1.4=370V选用400V耐压的电解电容285V×1.4=399V选用450V耐压的电解电容4.开关管的选择a.耐压余量耐压取理论值加80V，原则上不宜太大，也不宜太小，余量太大，导通电阻大，导通损耗大，b.电流余量电流值应取最大电流的3-4倍，注意是100℃时5.箝位电路参数的选择a.箝位电容的选择b.箝位电路电阻的选择c.箝位电路的阻断二极管的选择6.输出整流二极管的选择a.电压余量耐压的理论计算值=最大交流电压×1.414×N1/N2+Vo+尖峰+30Vb.电流余量流过整流管的电流为输出电流平均值的4倍，因此选择整流管的额定电流应为输出平均电流的3—5倍c.输出滤波电容的选择ESR小的高频电解1A/1000U反激式电路耐压30﹪,10V,16V,25V,35V60V,100Vd.输出滤波电感3UH四．反激式开关电源pcb排板原则一般原则：（反射噪声，串扰，开关噪声，地弹，轨道塌陷，以及辐射）a.Pcb走线长度减少一半，则其电感也减少一半，但走线宽度要增加10倍才减少一半b.电流路径小电流信号尽可能与大电流信号的地回路分开；高压信号尽可能与低压信号远些；多路输出的地回路有条件尽可能分开c.减小电感的方法实际情况a.初级回路b.次级回路c.初次级回路的安全距离d.典型排板案例(第一版本)（第二版本：初级地分开汇总到高压电容，次级地一路汇总到变压器)(第三版本：次级地12V5V分开汇总到变压器)五．变压器的设计1.实用的工程设计计算FD90205V/2A12V/0.5A变压器：输入电压：90V~265Vac输出功率：16W效率η=80%占空比D=0.45频率F=65K由于工作在宽电压范围，设计按连续模式计算1、峰值电流计算（最大峰值电流设在交流电压最低的情况计算）Po=Pin*η=Udc*Idc*D*ηIdc=（Ip1+Ip2）/2→Ip1+Ip2=2*Po/(Udc*d*η)=2*16/((90*1.414-20)*0.45*0.8)=2*16/(107*0.45*0.8)=0.8307AIp2=4Ip1→Ip1=0.166A;Ip2=0.664A△Ip=Ip2-Ip1=0.498A2、初级电感量计算L*△Ip=Udc*TonTon=D*T=D/F→L=(Udc*D)/(△Ip*F)=107*0.45/(0.498*65)=1.487mH3、匝比及各绕组匝数计算取反射电压Ur=80VD/(1－D)×V(100V)N=Ur/(Uout+0.5)=80/5.5=14.5查表知EE22Ae为36.7mm2取△B为0.25Np=(Udc*D)/(△B*Ae*F)=(107*0.45*1000)/(0.25*36.7*65)=80.74匝Ns=Np/N=80.74/14.5=5.568取整数6匝反推原边Np=Ns*N=6*14.5=87取87匝次级12V路：N12V=Ns/Uout*U12v=6/5*12=14.4取14匝辅助绕组：Na=Ns/Uout*Ua=6/5*17=20.4取20匝各绕组匝数匝比：原：辅：5V：12V=87：20：6：144、各绕组线径计算初级电流Irms=Ip*√D÷3=0.8307*√0.45÷3=0.1857A取5A/mm初级：πR^2=0.1857÷5→D=2*R=0.2175mm，取D=0.23mm5V输出：3*πR^2=2÷5→D=2*R=0.412mm，取D=0.45mm12V输出：πR^2=0.5÷5→D=2*R=0.3568mm，取D=0.35mm辅助路输出：电流较小，为配线方便取D=0.23mm综上：初级Np=87匝线径0.23mm*15V路Ns=6匝线径0.45mm*312V路N12V=14匝线径0.35mm*1辅助Na=20匝线径0.23mm*1Lp=1.487mH5、CS电阻计算R=0.8V/Ip2=0.8/0.664=1.2R保留一点裕量取1R电阻2.传统的Ap3.变压器的工艺问题（三明治，分层，绕向，磁路，磁材形状）减少漏感的工艺安全工艺改善辐射工艺降低成本工艺六．反激式开关电源的稳定性问题七．关键器件的特性功率VDMOS场效应晶体管具有双极型功率晶体管不具备的许多独特优点：1、开关速度非常快功率VDMOS场效应晶体管是多数载流