开关电源-主电路设计

1§6.1开关电源的主要技术指标及其分析§6.2主电路设计§6.3热设计和结构设计§6.4电磁兼容性设计§6.5小结第六章主电路设计2§6.1开关电源的主要技术指标及其分析开关电源的设计应从深入分析待设计的电源的技术指标开始。开关电源技术指标指出了该电源的实际使用要求，设计工作应满足技术指标的要求为目的。分析开关电源的各项主要技术指标的含义及其同设计的关系。一.输入参数二.输出参数三.电磁兼容性能指标四.其他指标3输入电压：目前开关电源流行采用国际通用电压范围，即单相交流85~265V（100~240V）。直流输入时情况复杂，范围在24~600V之间都有可能。输入电压的指标通常包含额定值和变化范围两方面内容。电压下限影响变压器变比设计，电压上限影响主电路元器件电压等级。电压范围过宽，设计裕量大而造成浪费。因此，输入电压的变化范围应在满足实际要求的前提下尽量小。一.输入参数：输入电压、交流或直流、相数、频率、输入电流、功率因数和谐波含量等4输入频率：我国民用和工业用电频率为50Hz。航空航天及船舶用的电源经常采用交流115V/400Hz输入（单相或三相）。输入相数：当开关电源功率为3~5kW时，可以选单相输入，以降低器件的电压等级，降低成本；当功率大于5kW时，应选三相输入，以避免引起电网三相间的不平衡，同时减小主电路电流，以降低损耗。5输入电流：输入电流通常包含额定输入电流和最大电流两项，是输入开关、接线端子、熔断器和整流桥等元件的设计依据。输入功率因数和谐波：开关电源的输入谐波电流和功率因数是一个重要指标，也是设计中的一个重点。但降低谐波电流和提高功率因数往往需要付出电路复杂程度增加、成本上升、可靠性下降的代价，因此应根据实际需要和有关标准制定指标。6单相PFC技术基本成熟，附加成本较低，输入功率因数很容易达到0.99以上，输入总谐波电流畸变率小于5%。三相PFC技术尚不成熟，单开关三相PFC技术，功率因数只能达到0.95左右，且存在很多问题。采用无源PFC技术，功率因数只能达到0.9左右。采用6开关PWM整流电路可以得到高品质的功率因数和低的电流谐波含量，但成本增加很多。7输出电压：通常给出额定值和调节范围两项内容。输出电压上限关系到变压器设计中电压比的计算，因此在满足实际要求的前提下，上限应尽量靠近额定点。下限的限制较宽松。输出电流：通常给出额定值和一定条件下的过载倍数，有稳流要求的电源还会指定调节范围。有的电源不允许空载，此时应指定电流下限。二.输出参数：输出功率、输出电压、输出电流、纹波、稳压精度、稳流精度、效率和输出特性等8稳压、稳流精度：通常以正负误差带的形式给出。通常精度可以分为三个项目考核：①输入电压调整率；②负载调整率；③时效偏差。输入电压调整率：在输出满载的情况下，输入电压变化会引起输出电压波动，测试输入电压在全输入范围内变化时输出电压偏离输出整定电压的百分比，一般要求电压调整率不超过±0.1%。电压调整率={(U-U0)/U0}×100％式中：U为U1和U2中相对U0变化较大的值；U1为输入电压下限对应的输出电压；U2为输入电压上限对应的输出电压。9负载调整率：输入额定电压时，因变换负载引起的输出电压波动不应超出规定的范围。时效偏差：输入电压和负载都一定的条件下，随着时间的推移，输出电压波动情况。负载调整率={(U-U0)/U0}×100％式中：U为U1和U2中相对U0变化较大的值；10同精度密切相关的因素：基准源精度、检测元件精度、控制电路中运算放大器精度等。11电源的输出特性：设计中必须根据输出特性的要求来确定主电路和控制电路的形式。很多场合都对电源提出了输出特性要求恒压、恒流的输出特性要求。具备这种特性的电源，在负载电流未达到限流值时，工作在恒压状态，随着负载的加重，电流达到限流值，输出电压开始下降，电源处于恒流工作状态。0OULULIOI图6-1恒压恒流输出特性12纹波：通常按频带可以分为三类：①高频噪声，即图6-2中频率远高于开关频率的尖刺；②开关频率纹波，指开关频率附近的频率成分即图6-2中锯齿状成分；③低频纹波，频率低于开关频率的成分，即低频波动。图6-2典型的纹波波形13⑴纹波系数：取输出电压中交流成分总有效值与直流成分的比值定义为纹波系数。这是最常用的量化方法，但不能反映幅值很高、有效值却很小的的尖峰噪声的含量及其影响，而且用常规仪表很难精确计量其总有效值。⑵峰峰电压值：该方法计量了纹波电压的峰峰值，但不能反映纹波有效值的大小，不够全面。对纹波有多种量化方法，常用的有：)(jA0Sf2图6-3纹波电压的频谱14⑶按三种频率成分分别计量幅值：该方法最为直观、详细，也容易用示波器直接测量，但对负载的干扰程度不容易界定。⑷衡重法：该方法强调纹波对工作在300~3000Hz声音频带内设备的影响，用于评价通信电源的性能指标。15效率：是电源的重要指标，它通常定义为式中，Pi为输入有功功率；Po为输出有功功率。通常给出在额定输入电压和额定输出电压、额定输出电流条件下的效率。对于开关电源来说，效率提高意味损耗功率的下降，从而降低电源温升，提高可靠性，节能的效果也很明显，所以应尽量提高效率。%100ioPP16开关电源的各种损耗损耗种类内容与开关频率密切相关损耗开关器件的开关损耗，变压器的铁损，电抗器的铁损，吸收电路的损耗电路中的通态损耗开关器件的导通损耗，变压器的铜损，电抗器的铜损，线路损耗其他损耗控制电路损耗，冷却系统损耗17一般来说，输出电压较高的电源效率高于输出低电压的电源，这同变压器二次侧整流二极管的通态压降与输出电压的比值相关。通常高输出电压（100V）电源效率可达90%~95%。18电磁兼容性（ElectromagneticCompatibility—EMC）包含两方面的内容：①电磁敏感性（ElectaonmagneticSusceptibility—EMS）②电磁干扰（Elec-TromagneticInterference—EMI）分别指出电子装置抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。通过制定标准，使每个装置能够抵抗干扰的强度远远大于各自发出的干扰强度，则这些装置在一起工作时，相互干扰导致工作不正常的可能性就比较小，从而实现实现电磁兼容。三.电磁兼容性能指标19各国有关电磁兼容的标准很多，并且都形成了一定的体系。比较重要的有国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission—IEC）的电磁兼容标准体系，欧洲联盟标准体系（EN）和美国联邦通信委员会（FederalCommissionofCommunication—FCC）标准等，我国也制定了相应的国家标准（GB）。20体积和重量指标密切相关，小型化、轻量化正是电源装置的发展趋势。除合理的结构设计外，减少体积和重量的最有效途径是提高开关频率。环境温度指标同热设计的关系很大，从散热的角度来看，环境温度上限是最恶劣的工况。通常民用电源的环境温度范围在0~40℃，工业用电源为-10~55℃，而军用及航空航天及舰船用则可能达到-55~105℃。四.其他指标21随着海拔的升高，大气越来越稀薄，容易击穿而形成放电。因此在高海拔（2000m以上）使用的开关电源，在设计过程中应注意加大绝缘的间距。22§6.2.2主电路设计主电路的设计通常在整个电源的设计过程中具有最为重要的地位，一旦完成设计，不宜轻易改变，因此设计时对各方面问题应考虑周全，避免返工，造成时间和经费的浪费。对主电路的设计说明：一.主电路的选择二.硬开关与软开关电路的选择三.正激型、推挽型、半桥型和全桥型电路的主电路元器件参数的计算四.反激型电路的主电路元器件参数的设计23一.主电路的选择根据电源功率的不同要求，宜采用不同的电路形式。小功率电源（1~100W）宜采用电路简单、成本低的反激型电路；电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，应采用正激型电路；对于功率大于500W，工作条件较好的电源，则采用半桥型或全桥型电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥型电路；如果功率很大，则应采用全桥型电路；推挽型电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。24二.硬开关与软开关电路的选择在设计中，通常需要综合考虑可靠性、成本、效率等多方面因素来确定是否采用软开关技术。现阶段在一些情况下，采用硬开关电路仍然是合理的选择，而对效率、体积和重量的要求非常高时，应根据实际情况，采用相应的软开关电路。随着市场对电源体积和重量越来越苛刻的要求，软开关电路在电源中的应用越来越广泛，因而从发展的角度来看，软开关是未来电源技术的主流。25变压器是开关电源中的核心器件⑴电压比kT：电压比计算的原则是电路在最大占空比和最低输入电压的条件下，输出电压能达到要求的上限，考虑到电路中的压降，输出电压应留有裕量，即三.正激型、推挽型、半桥型和全桥型电路的主电路元器件参数的计算1.变压器的设计UUDUkoiTmaxmaxmin式中，Uimin为输入直流电压最小值，应选取输入电压下限并注意考虑电压纹波；Dmax为最大占空比；Uomax为最高输出电压；ΔU为电路中的压降，应包含整流二极管压降和电路中线路压降等。26⑵铁心的选取：计算出电压比后，可根据以下公式选取合适的铁心：ccSTwekBdfPAA式中，Ae为铁心磁路截面积；Aw为铁心窗口面积；PT为变压器传输的功率；fs为开关频率；ΔB为铁心材料所允许的最大磁通密度的变化范围；dc为变压器绕组导体的电流密度；kc为绕组在铁心窗口中的填充因数。根据以上公式计算出铁心应具备的截面积—窗口积（AeAw）后，可以在生产厂家提供的产品手册中查找合适的铁心，使其形状和尺寸满足要求。27⑶绕组匝数：选定铁心后，便可以计算绕组匝数。为了保证在任何条件下铁芯不饱和，设计时应按最大伏-秒面积计算匝数。首先计算二次侧绕组匝数，然后根据电压比推算出一次绕组匝数。二次匝数计算公式为：式中，SV为二次绕组承受的最大伏-秒面积。由于电路中电压的波形是方波，所以最大伏-秒面积的计算可以简化为电压和脉冲的乘积，因此二次绕组匝数的设计公式可简化为：对正激型电路对全桥型、半桥型、推挽型电路eVBASN2eSOBATUN2eSOBATUN2228⑷绕组导体截面：根据流过每个绕组的电流值和预先选定的电流密度，即可计算出绕组导体截面为ccdIA⑸变压器设计的其他问题：包括变压器励磁电感和漏感的估算，以及绕组结构的设计。可以用变压器的等效电路来说明励磁电感和漏感，一次绕组的励磁电感式中，为真空导磁率；为铁心材料相对导磁率；为铁心截面；为一次绕组匝数；为铁心磁路长度。lNALerm21010reA1Nl1sL2sL221MTmLkL图6-6变压器的T型等效电路29变压器的漏感与某一绕组产生的，并仅同自身耦合的磁链有关，因此它同一次、二次绕组互相耦合的紧密程度密切相关，耦合不够紧，则漏感会增加。漏感会对电路工作带来负面影响，所以变压器的设计应尽量减小漏感。减小漏感的办法主要是提高一次、二次绕组耦合的紧密程度。如采用间隔绕组等。由于铁磁材料的相对磁导率很大，因此励磁电感通常也较大。如果铁心未夹紧，磁路中有气隙，则励磁电感会急剧下降，励磁电流成倍增加，导致变压器性能严重恶化。r30输出滤波电路的作用是滤除二次侧整流电路输出的脉动直流中的交流成分，得到平滑的直流输出。开关电源中，通常采用一级LC滤波电路，当要求输出纹波很小时，也采用两级LC滤波电路。2.输出滤波电路的设计⑴滤波电感的设计设计滤波电感应根据输出电压、输出电流和开关频率，并应首先选定允许的电感电流的纹波值，计算电感值，选定电感铁心。a)单极LC滤波电路b)二级LC滤波电路31对于正激电路：对于全桥、半桥和推挽电路：式中，L为滤波电感值，Uimax为输入电压最大值，fs为开关频率，ΔI^为允许的电感电流最大纹波峰峰值。IfkULsTiˆ2maxIfkUL