高频开关电源设计与应用

电源网讯传统的工频交流整流电路，因为整流桥后面有一个大的电解电容来稳定输出电压，所以使电网的电流波形变成了尖脉冲，滤波电容越大，输入电流的脉宽就越窄，峰值越高，有效值就越大。这种畸变的电流波形会导致一些问题，比如无功功率增加、电网谐波超标造成干扰等。功率因数校正电路的目的，就是使电源的输入电流波形按照输入电压的变化成比例的变化。使电源的工作特性就像一个电阻一样，而不在是容性的。目前在功率因数校正电路中，最常用的就是由BOOST变换器构成的主电路。而按照输入电流的连续与否，又分为DCM、CRM、CCM模式。DCM模式，因为控制简单，但输入电流不连续，峰值较高，所以常用在小功率场合。CCM模式则相反，输入电流连续，电流纹波小，适合于大功率场合应用。介于DCM和CCM之间的CRM称为电流临界连续模式，这种模式通常采用变频率的控制方式，采集升压电感的电流过零信号，当电流过零了，才开通MOS管。这种类型的控制方式，在小功率PFC电路中非常常见。今天我们主要谈适合大功率场合的CCM模式的功率因数校正电路的设计。要设计一个功率因数校正电路，首先我们要给出我们的一些设计指标，我们按照一个输出500W左右的APFC电路来举例：已知参数：交流电源的频率fac——50Hz最低交流电压有效值Umin——85Vac最高交流电压有效值Umax——265Vac输出直流电压Udc——400VDC输出功率Pout——600W最差状况下满载效率η——92%开关频率fs——65KHz输出电压纹波峰峰值Voutp-p——10V那么我们可以进行如下计算：1，输出电流Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A2，最大输入功率Pin=Pout/η=600/0.92=652W3，输入电流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A4，那么输入电流有效值峰值为Iinrmsmax*1.414=10.85A5，高频纹波电流取输入电流峰值的20%，那么Ihf=0.2*Iinrmsmax=0.2*10.85=2.17A6，那么输入电感电流最大峰值为：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A7，那么升压电感最小值为Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH8，输出电容最小值为：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp-p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF，实际电路中还要考虑holdup时间，所以电容容量可能需要重新按照holdup的时间要求来重新计算。实际的电路中，我用了1320uF，4只330uF的并联。有了电感量、有了输入电流，我们就可以设计升压电感了！PFC电路的升压电感的磁芯，我们可以有多种选择：磁粉芯、铁氧体磁芯、开了气隙的非晶/微晶合金磁芯。这几种磁芯是各有优缺点，听我一一道来。磁粉芯的优点是，μ值低，所以不用额外再开气隙了。气隙平均，漏磁小，电磁干扰比较低，不易饱和。缺点是，基本是环形的，绕线比较困难，不过目前市场上也出现了EE型的。另外，μ值随磁场强度的增加会下降。设计的时候需要反复迭代计算。铁氧体磁芯的优点是损耗小，规格多，价格便宜，开了气隙后，磁导率稳定。缺点是需要开气隙，另外饱和点比较低，耐直流偏磁能力比较差。非晶/微晶合金的优点是饱和点高，开气隙后，磁导率稳定。同样缺点是需要开气隙。另外，大都是环状的。在此说明一下，环形铁芯虽然绕线比较困难，没有E型什么带骨架的那种容易绕。但是环形铁芯绕出来的电感分布电容小，对将来处理电磁兼容带来了很多便利之处。E型的骨架绕线一般都是绕好几层，那么层间电容比较大，对EMC产生不利影响。另外，开气隙的铁芯，在气隙处，铜损会变大。因为气隙处的漏磁在铜线上产生涡流损耗。下面我们就选择一种环形磁粉芯来作为我们PFC电感的磁芯。我们上面已经计算出了几个参数：输入电流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A输入电感电流最大峰值为：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A升压电感最小值为Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH下面继续计算：线圈选择电流密度为5A/平方毫米，那么可以计算出我们需要用的漆包线的线径为：2×SQRT(7.67/(5×3.14))=1.4毫米因为我们这是按照最极限的输入电压也就是说按照最大的输入电流时来计算的。所以电流密度取的裕量比较大。实际按照不同的成本要求，也可以把电流密度取大一些，比如此处取电流密度为8A/平方毫米的话，那么可以得到线径为：2×SQRT(7.67/(8×3.14))=1.1毫米这也是可以接受的。因为是CCM模式的工作方式，基波是低频的半正弦波，在此处我们就不考虑趋肤效应了。选用单根的漆包线就可以了。常用的几个公式：LI=NΔBAeL：电感量，I：电流，N：匝数，ΔB：磁感应强度变化量，Ae：磁芯截面积L=N×N×AlAl：电感系数H=0.4×3.14×N×I/LeH：磁场强度，Le：磁路长度继续。。。。。计算磁芯大小的方法有几种，最常用的就是AP法，但实际上，因为磁粉芯的磁导率随磁场强度变化较大，计算经常需要迭代重复。另外，因为磁环的规格相对比较少。我们就不用AP法计算了。而是直接拿磁芯参数过来计算，几次就可以得到需要的磁芯了。经验越丰富，计算就越快了。适合用来做PFC电感的磁粉芯主要有三类：铁镍钼(MPP)、铁镍50(高磁通)、铁硅铝(FeSiAl)。其中，铁镍钼粉芯的饱和点大概在B=0.6附近。而后两者都可以达到1以上。此处，我们选用某国产的铁硅铝粉芯，下面是该粉芯的一些特性曲线图：从图上可以看见，当磁场强度上升的时候，磁导率在下降。那么电感量也就会下降。所以，我们希望电感量在承受直流偏磁时不要跌落的太多，那么设计所选择的磁场强度就不能太高。我们选用初始磁导率μ0=60的铁硅铝粉芯，那么可以从图中看到，当磁场强度为100Oe时，磁导率还有原来的42%，而当磁场强度为100Oe时，磁感应强度为0.5T，远未到饱和点。我们就把设计最大磁场强度定为100Oe。那么根据L=N×N×AlH=0.4×3.14×N×I/Le我们得到的限制条件是：0.4×3.14×SQRT(L/Al)×I/Le100由于100Oe时，磁导率只有初始值的42%，所以我们要对上式中的Al乘上这个系数。那么带入相关的参数L=709uH，I=11.94A，我们有：0.4×3.14×SQRT(709E-6/(0.42×Al))×11.94/Le100，简化后得到：0.616/(Le×SQRT(Al))100注意：上式中，Le的单位是：cm，Al的单位是：H/(N×N)现在，我们可以把磁芯参数带入计算了。选择一个：A60-572A，Le=14.3cm，Al=140nH/(N×N)，Ae=2.889平方厘米，带入后得到：115100显然磁芯不合适，再选择一个更大的：A60-640，Le=16.4cm，Al=144nH/(N×N)，Ae=3.53平方厘米，计算得到：99100，不等式满足。磁芯选定。然后，根据99=0.4×3.14×N×I/Le计算得到N=108圈有时，选择不到合适的单个磁芯，可以选择两个磁芯叠加起来使用。（电源网原创转载请注明出处）跟我学：元器件降额使用指南(2010-11-3019:39)分类：LED类电源网讯什么要降额使用元器件？因为如果元器件的工作状态不超过供应商提供的规格书上的指标。那么可以实现全寿命工作。降额使用，可以提高产品的可靠性。降额使用规则的制订，是依据最差工况(worstcase)来制定的。处于最差工况工作的元件，是实际寿命达不到额定寿命的重要因素。最差状况，就是元件工作时承受着最大应力的工作状况。这种情况一般由外部环境的参数比如温度、电压、开关次数、负载等条件中的一种或多种组合而成。这些应力的边界条件一般在元件的规格书中都是给出来的。一个良好的设计，是应该根据最差工况时，元件的设计风险来评估设计的可靠性的。风险评估同时可以确定失败的原因、潜在的风险、失败的概率、后果的严重性等。要制定降额使用规范，就要进行worstcase下的失败风险评估。要进行风险评估，就要建立加速实验模型。要是风险评估按照正常使用时间来做的话，等到评估完了，市场份额早就被瓜分完了。模型的准确性，将严重影响风险评估的结果。要精确保证模型的准确性，那又是一门大学问了。在我们这里，就定性的简单分析一下吧。加速试验的加速因子，一般遵循阿累尼乌斯定律：其中：A加速因子Ea活化能K波尔兹曼常数，8.63E-5eV/KT绝对温度如果加速因子对应某个要降额条件下的值是已知的，那么可以用下面的公式来计算其他情况下的寿命。其中：T温度，以摄氏度为单位Tref参考降额使用温度，以摄氏度为单位tref参考使用寿命，单位KHrs(千小时)t使用寿命，单位KHrs(千小时)A每10摄氏度加速因子举个例子：一个元件在90摄氏度下的寿命是30KHrs，加速因子A约等于2每10摄氏度，那么在什么温度下，元件的寿命就变成了20KHrs呢？一、集成电路因为集成电路的复杂性和保密性，一般我们只能根据半导体结温来推断集成电路的可靠性了。我们通常规定：1，最大工作电压，不超过额定电压80%2，最大输出电流，不超过额定电流75%3，结温，最大85摄氏度，或不超过额定最高结温的80%二、二极管二极管种类繁多，特性不一。故而，有通用要求，也有特别要求：通用要求：长期反向电压70%～90%×VRRM（最大可重复反向电压）最大峰值反向电压90%×VRRM正向平均电流70%～90%×额定值正向峰值电流75%～85%×IFRM正向可重复峰值电流对于工作结温，不同的二极管要求略有区别：信号二极管85～150℃玻璃钝化二极管85～150℃整流二极管和快恢复、超快恢复二极管（1000V）85～125℃整流二极管和快恢复、超快恢复二极管（≥1000V）85～115℃肖特基二极管85～115℃稳压二极管（0.5W）85～125℃稳压二极管（≥0.5W）85～100℃Tcase(外壳温度)≤0.8×Tjmax-2×θjc×P，2×θjc×P15℃，θjc是从结到壳的热阻，P是功率损耗。这是一个可供参考的经验值。这里很多指标给的是个范围，因为不同的可靠性要求和成本之间有矛盾。所以给出一个相对比较注重可靠性的和一个比较注重成本的两个值供参考。下面同理。三、功率MOSVGS85%×VGSmax(最大栅极驱动电压)ID_peak80%×ID_M(最大漏极脉冲电流)VDS80～90%×额定电压dV/dt50%～90%×额定值结温85℃~80%×Tjmax(最大工作结温)Tcase(外壳温度)≤0.8×Tjmax-2×θjc×P，2×θjc×P15℃，θjc是从结到壳的热阻，P是功率损耗。这是一个可供参考的经验值。四，三极管所有的电压指标都要限制在85%的额定值之下功率损耗不超过70%～90%额定值IC必须在RBSOA(反偏安全工作区)与FBSOA(正偏安全工作区)范围内降额30%（就是额定的70%）结温不超过85～125℃Tcase(外壳温度)≤0.75×Tjmax-2×θjc×P，2×θjc×P15℃，θjc是从结到壳的热阻，P是功率损耗。这是一个可供参考的经验值。五，电解电容铝电解电容是开关电源中一个非常重要的元件。而很多开关电源的故障率偏高，都是因为对铝电解的使用不当造成的。由于铝电解的重要性，我们对他的研究比较多，因而制定出来的规则也比较多。1，Vdc+Vripple90%×额定电压2，在电容体之下，PCB正面，尽量不要有地线之外的其他走线。3，纹波电流，这个问题比较复杂，因为开关电源中，纹波电流的频谱是非常丰富的，所以必须把纹波电流折算一下：频率因子，供应商应该可以提供的。纹波电流必须保证在供