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新手设计的单输出反激电源的实例,请大家指点,

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ysf213
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  • 2018-1-29 10:22:44
本人是一个新学习开关的新手,根据资料和自己的体会,设计了一个单输出的反激电源,请高手给出指点,多多指出里面的不足和错误之处。多谢大家,
单输出反激电源设计实例要求:
输入交流电压:85Vac---265Vac
输入交流电源频率:50/60Hz
输出直流电压:Vo=12V
输出电流:Io=3A
开关频率:f=100KHz
效率不低于:η=80%
输出纹波电流系数小于:r=0.4
选用控制芯片:UC2844BD1R2(ON)或者TL2844BDR-8(TI)
设计计算:1、占空比的确定
首先根据控制芯片的要求,占空比要求小于50%,根据芯片datasheet的技术要求,假

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设占空比选取为0.45,设计占空比的可以通过两个途径,一是根据伏秒定律,二是通过原边输入电流的中心值。因为要求考虑效率和损耗的问题,先通过输入电流中心值计算,由伏秒定律来验证。
其中,占空比的设计会影响到原边与副边的匝数比N,也就是通过假设选取占空比设计匝数比N,然后在通过计算的匝数比N,由伏秒定律来验证占空比的合理性。
输入的直流电压范围为120V---375V。Vdcmin=120Vdc,Vdcmax=375Vdc。
输入功率Pin=输出功率Po/η=12*3/0.8=45W。
下述所有的讨论在电感电流最大,最恶劣的输入电压下计算,也就是最小输入电压Vinmin=120V时计算下列参数。
其中验证的过程需要中间的参数如:
1)  输出电压折算到原边的反射电压Vor=N*(Vo+Vd)
2)  输出二极管电压Vd=1.0V
3)  输出电流折算到原边的反射电流Ior= Io/N
4)  输入电流的峰值Ipeak=IL+△I/2
5)  输入电流Iin=Pin/Vin
6)  输出电流Io=3A
7)  电感中点电流IL=Iin/D=Ior/(1-D)
8)  电感电流输入电流的上升值为△I=IL*r
上述电流值见下图2
2
可以得出:Iin=Po/η/Vin=45W/120V=0.375A。
输出电流折算到原边的电流Ior=Io/N,对于电感电流中心值电流IL,IL=Iin/D,IL=Ior/(1-D)。其中已经取D=0.45。可以得出N=6.55。
输出电压折算到原边的Vor电压为(Vo+Vd)*N=85.2V。
根据伏秒定律可以验证一下占空比D的有效性,Vinmin*D=Vor*(1-D),可以求出D=0.416。为什么验证出来的占空比比我们假设计算的占空比小呢,这就是考虑效率和损耗的问题。计算占空比去0.45满足要求,计算的匝数比N=6.55。
疑问1:在这里,这么理解是不是正确,请大家给出意见或讨论的方案。
确定的结果
其中验证的过程需要中间的参数如:
1)  输出电压折算到原边的反射电压Vor=N*(Vo+Vd)=85.2V
2)  输出二极管电压Vd=1.0V
3)  输出电流折算到原边的反射电流Ior= Io/N=0.458A
4)  输入电流的峰值Ipeak=IL+△I/2=1A
5)  输入电流Iin=Pin/Vin=0.375A
6)  输出电流Io=3A
7)  电感中点电流IL=Iin/D=Ior/(1-D)=0.833A
8)  电感电流输入电流的上升值为△I=IL*r=0.3332
2、原边电感量的确定
计算电感量,首先要知道伏秒积和输入电流的变化值,才可以计算出所需的电感量。根据前面计算的电感中点电流IL=Ior/(1-D)=0.833A,考虑纹波系数r=0.4,可以计算出电感的峰值电流Ipeak=IL*(1+r/2)=1A,其中电流的变化值△I=IL*r=0.3332A。
伏秒积的计算Vin*t=Vin*D/f=120*0.45/100K=540uVs。根据Vt=L△I,可以求得L=Vt/△I=540uVs/0.3332A=1.62mH。电感量也就确定出来了。接下来就是选取合适的磁芯了。
3、磁芯的选择
选取磁芯和骨架,可以通过下面AP方法来计算,通过AP方法计算Ae和Aw之积,
AP法计算:AP=(L*Ipeak^2*10000/(Kj*Ku*△B))^1.143。其中Kj为电流密度系数,选取400A/cm2,Ku为窗口利用系数,选取0.25,一般去0.2-0.4范围内,B取0.3T。可以得出AP=4969(mm4)
通过EI系列的磁芯,通过上面可以得出,EI28,EER28,EI30比较接近,具体参数见下图3。
3
EI28Ve=4150mm3),EI30Ve=6440mm3),EER28Ve=5250mm3),所以EI28不满足要求,EER28EI30都满足要求,选用EER28。这是通过Ve法计算的结果。
但是通过AP计算的结果AP=Aw*Ae=4969mm4),那么EI28AP=86*69.8=6002mm4),EER28AP=82.1*114=9359mm4),EI30AP=111*75.6=8392mm4),上述两个磁芯都满足要求,EERAP还远大于我们要求的AP=4969mm4)。
固选用EER28磁芯。
4、绕组匝数
线圈的匝数需要根据伏秒与磁芯磁通的关系计算,也可以通过电感与电流乘积与磁芯磁通的关系计算,V△t=120V*0.45*10us=540uVs,L△I=1.62mH*0.3332A=540uHA。
V△t= L△I=N*△B*Ae,其中△B*(2+r)/2/r=Bmax。根据选用的EER28的磁芯,Ae=82.1mm2。采用选用PC40,或者PC47或者TP4锰锌材料,选取100度时的最大磁感应强度,其中PC40的Bs饱和磁感应强度为0.39T,PC47的Bs饱和磁感应强度为0.42T,TP4的Bs饱和磁感应强度为0.39T。考虑留有一定的余量,采用最大磁饱和强度Bs为0.3T。得出线圈的匝数N= V△t*(r+2)/(2*r*Bs*Ae)=66匝。
得出原边的线圈匝数Np=66匝,根据每匝的伏匝比确定副边的匝数为Ns=Np/N=10匝。整好,得出副边的匝数几乎为整数,如果不是整数,需要向上取整,然后再通过匝数比重新计算原边Np的匝数。最后在通过最终的匝数确定最大磁饱和强度Bs的值是否大于0.3T,如果大于0.3T需要重新设计,如果小于0.3T,满足要求。
考虑芯片的取电Vcc=16V,二极管压降为1V,反馈电源线圈匝数Nf=Ns*(Vcc+Vd)/(Vo+Vd)=10*17/13=13匝。
得出Np=66匝,Ns=10匝,Nf=13匝。
5、实际磁通密度B的验证
通过上述计算出来的线包匝数N来重新验证最大磁饱和强度Bs的限制,根据上述公式Bmax=Vin*D*(r+2)/(2*r*Np*Ae*f)=0.299T,△B=2*r*Bmax/(2+r)=0.1T,在实际中峰值为2990G,交流分量为500G。
6、气隙
上面计算出了磁芯的型号,可以得出磁芯的有效截面积Ae=82.1mm2,有效长度为le=64mm,电感量为1.62mH,无气隙的电感量计算公式为L=NBA/(lH/N)=N*N*u0*ur*Ae/le。其中u0=4*pi*10-7,TP4材料对应的ur=2300,PC47的ur=2500,PC40的ur为2300。带有气隙lg长度的电感量计算,其实带有气隙的等效磁导率变为ue=ur*le/(le+ur*lg),所有带有气隙的电感量计算公式为L=N*N*u0*ue*Ae/le=N*N*u0*ur*Ae/(le+ur*lg),取ur=2300,N=66匝,得出lg=0.25mm。
需要增加0.25mm的气隙。需要对中柱进行打磨掉厚度为0.125mm气隙,一对EER28磁芯对接后中柱气隙围0.25mm,满足上述设计要求。
7、线径的选择
对于输入线圈的电流为Iin=0.375A,输出电流为I=3A,由于肌肤深度跟频率有关,采用100Khz的开关频率,导线的肌肤深度为d=66.1/√f=0.2mm,即为8mil,选取的导线半径不能大于0.2mm,也就是导线的直径最大为0.4mm,导线的截面积最大不能超过0.1256mm2,考虑每平方毫米的载流量为5A/mm2。输入电流为0.375A的最小截面积为0.075mm2,也就是最小的导线直径为:0.31mm,股选用0.39mm的线径,包含漆包线的直径为0.39mm,内径为0.33mm。对于输出线包直径采用0.4mm,带漆的直径为0.46mm,截面积为0.1256mm,能通过的电流为0.628A,所以需要5根直径0.46mm的漆包线进行并绕。还有辅助线包采用漆包线为0.39mm,内径为0.33mm的线径。
线径确定之后需要对绕线的可行性进行验证,关于EER28骨架的槽宽度为16.4mm,绕线深度为3.9mm,对于原边线圈0.39mm要求绕66匝,所以需要3层,每层22匝,每层需要增加绝缘胶带。对于辅助电源的绕制,采用单层绕制13匝,最外层绕制副边线圈,采用5根0.46mm并绕,绕制两层,每层绕制5匝。绝缘胶带采用0.06mm厚度。
关于EER28的骨架采用卧式的骨架,也就是TYPE2,具体见图4
图4
绕制方法:由里向外绕制说明
1、  骨架上绕制1层绝缘胶带
2、  两端绕制3层3mm宽的绝缘胶带,中间绕制22匝原边线包,层中间增加1层绝缘胶带
3、  然后再绕制3层绝缘胶带
4、  两端绕制3层5mm宽的绝缘胶带,中间绕制13匝辅助线包
5、  然后在绕制3层绝缘胶带
6、  两端绕制3层2mm宽的绝缘胶带,中间绕制5根输出线包并绕,绕制5匝,绕制2层,层中间增加1层绝缘胶带
7、  然后在绕制3层绝缘胶带
通过上述计算的深度为13层绝缘胶带厚度,4层0.39mm线径和2层0.46mm线径,共计3.32mm。由于EER28的绕制深度为3.9mm满足绕制的要求。具体结构绕制样式见图5。
5
关于骨架的引线说明,去掉骨架的1,3,5,6,9,10这几脚,然后采用4—>2为原边线圈,7—>8为辅助线圈,11—>12位输出线圈。具体见图6
6
8、关于mos的选择
最高输入电压为375V,对于输出电压折算到原边的电压为Vor=85.2V,考虑漏感引起的电压尖峰50V,所以选用mos的耐压不能小于375+85.2+50=510V,所以选用600V的mos管,满足要求。




eric.wentx
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  • 2018-1-29 11:03:29
 
万般计算不如一demo... 理论如果没有强到无招胜有招的话,做个实物最直接。
ysf213
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  • 2018-1-29 11:10:10
  • 倒数10
 
本来计划做一个demo,自己绕制变压器,目前感觉对基础理论比较欠缺,想进一步把理论补充完整后,做一款属于自己的开关电源。到时候把一些理论方面的问题能清楚,在做demo的时候,就会针对一些实际现象问题就可以进行理论分析一些,至少做到有的放矢。也许会让demo变得容易一些。
eric.wentx
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  • 2018-1-29 11:14:48
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很难有完美的事情,特别是电源。
ysf213
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  • 2018-1-29 11:19:06
  • 倒数8
 
明白了,做demo肯定是要做的,先补充补充理论吧。到时候demo出现问题,可能会使得分析有根据一些。请帮忙看看我们上述推导的理论上没有没什么错误的或者说不合常规的地方,请指点一下,谢谢

nc965
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  • 2018-1-30 10:27:53
  • 倒数7
 
把你的设计参数装进此贴顶楼表格核算一下就知道有没有问题了


gaohq
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  • 2018-1-30 13:33:21
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你的计算很详细也很特别,一般的是按照MOS管的耐压确定次级反射电压再算匝数比。。。。。
ysf213
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  • 2018-1-30 14:14:54
  • 倒数5
 
对于做开关电源,关于mos管的选型,常用的选用那个品牌的啊。
gaohq
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  • 2018-1-31 08:39:54
  • 倒数3
 
ST ,英飞凌,东芝  等等  太多了。
gaohq
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  • 2018-1-31 08:38:39
  • 倒数4
 
△B=2*r*Bmax/(2+r)


这个公式是怎么来的?
ysf213
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  • 2018-2-4 14:59:51
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通过电流纹波可以推导出磁感应的波动
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  • 2018-2-4 22:52:52
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把r的关系式带进去以后,最后推导的就简化了
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