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讨论 第8期 原创赛

一个新手设计的反激电源--存在的疑问,请大家一起讨论

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ysf213
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本网技师
  • 2018-1-18 17:56:27
一个新手设计的反激电源,刚开始学习,没有人带,自己看资料设计的,目前还只是一部分设计方案,还存在一些疑问,请大拿们帮忙指点和讨论。

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0.47,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=N*Io
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)。其中已经去D=0.47。可以得出N=7.09。
输出电压折算到原边的Vor电压为(Vo+Vd)*N=93V。
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=0.437。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0.47满足要求,计算的匝数比N=7.09。
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。
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)=0.8A,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)=0.96A,其中电流的变化值△I=IL*r=0.32A。
伏秒积的计算Vin*t=Vin*D/f=120*0.47/100K=564uVs。根据Vt=L△I,可以求得L=Vt/△I=564uVs/0.32A=1.7625mH。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,可以通过两种方法来计算,通过AP法和Ve法都可以求出,目前我们先以Ve法来计算磁芯体积。
Ve法计算1:Ve=0.7*Pin*(2+r)^2/r/f=4.536(cm3)=4536(mm3)。
AP法计算2:AP=(L*Ipeak^2*10000/Kj*Ku*B)^1.14。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和EI30比较接近,具体参数见下图3和图4。

图3

4
EI28Ve=4150mm3),EI30Ve=6440mm3),所以EI28不满足要求,选用EI30。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),EI30AP=111*75.6=8392mm4),上述两个磁芯都满足要求,EI28AP还远大于我们要求的AP=4969mm4)。
疑问2:上述两个方法,那个更合适,即可以做到不用选取太大的磁芯,造成浪费,又可以满足设计要求。





nc965
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  • 2018-1-18 18:04:46
 
ysf213
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本网技师
  • 2018-1-19 11:02:18
 
很感谢,我看了这个设计表格,做的很好,使得学习开关电源有了新的指导方法,好像里面是选定了磁芯,根据什么来确定磁芯呢,如何选取磁芯的大小和型号。上面的疑问1:占空比的设计通过电流设计是否合理,还是通过伏秒法则来设计占空比呢。
疑问2,就是磁芯的选择,那种方法更合适,更合理一些。



图1.jpg
图2.jpg
图3.jpg
图4.jpg
nc965
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  • 2018-1-19 11:20:42
 
占空比和磁芯选择:
25 (1).png
deep_thought
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副总工程师
  • 2018-1-19 13:41:38
 
最大占空比一般作为一个已知数来选择,跟匝比和初级与次级的功率元件耐压值直接相关,对效率有一定影响(具体需要优化试验)。根据经验,一般选择0.4-0.5之间。如果你用3844/2844的片子,因为控制IC的最大占空比限制到50%,所以设计值最好取小一点在0.40-0.45之间。

关于磁芯选择,你使用的理论计算,因为其中的电流密度参数,和磁芯使用系数等的取值范围很宽,所以计算误差很大,只能供参考。为什么这些值很宽呢,因为磁芯有不同的材质影响最大磁通密度和功耗,不同的实际使用环境温度,周围散热条件,整体电源的体积,安规温度等级的选择都会影响这些取值。

实际应用中,就是凭经验。一般36W的功率,选择EER28的余量已经偏大了。其他可能的磁芯选择有RM8, PQ2020等.
ysf213
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本网技师
  • 2018-1-19 15:27:18
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对于一个初学者来说,设计开关电源没有一点经验,关于多少功率需要多大的磁芯,没有一点概念,所以现在初学来说说,根据功率如何选取合适的磁芯。
还有上面的占空比,我在重新设计一下,选在0.4-0.45之间,占空比选择大小会影响什么的,或者说如果占空比选的在小一些,选成0.1会影响电源的什么性能呢?请高手指点。

liguanghui2588
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实习版主
  • 2018-1-19 15:36:45
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我也想从头到尾设计计算一个反激电源,共同学习
deep_thought
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LV8
副总工程师
  • 2018-1-20 11:13:08
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初学者如果只是学习,不需要考虑性价比,没有成本压力,可以按照理论计算的结果选择大一点的余量来设计。然后慢慢优化,朝最优设计靠拢。
如果要立即设计实际的产品,就需要得到有经验的指导,可以在本论坛提问。
deep_thought
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LV8
副总工程师
  • 2018-1-20 11:30:27
  • 倒数7
 
这里讲的占空比是指最大占空比,它只出现在最低输入电压和最重的负载条件下。比如你要设计一个宽电压输入的电源,输入电压范围是85Vac-264Vac, 那么最大占空比(比如是0.45)出现在85Vac输入时,那么在264Vac输入时,其占空比就只有0.14左右了。所以最大占空比不要设定太小。如果最大占空比设0.1,那么最小占空比可能就只有0.03了,对于65KHZ工作频率来说,0.03的占空比的脉冲宽度才0.45uS, 控制IC可能出不了这么小的脉冲宽度,或者因为其他寄生延时导致脉冲宽度不稳定。另外,因为占空比很低,初级的峰值电流和有效值电流幅度会非常高,导致初级损耗非常高,甚至损坏初级的开关MOSFET和吸收回路。当然,还有其他问题,就不一一例举了。
总之,初学者先按照前人的经验来实际做一做,要多看看波形和数据,要多分析波形和数据。经过理论与实际的结合,来积累经验。



huifeideyu
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  • 2018-1-20 23:09:31
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入门学习很好
nc965
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  • 2018-1-22 11:03:53
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给你的计算表格里面,已经包含了影响反激的所有因素的相互关系,你想知道哪个因数会形成什么影响,自己都可以试算。

诸如:占空比选在0.4-0.45之间,占空比选择大小会影响什么?这样的问题代入表格试算,立即就会有答案。这样在论坛上一问一答,可能没个头。
XIAOTU80
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占空比太小,可能无法工作
一川
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有尺寸要求吗
ysf213
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本网技师
  • 2018-1-22 08:59:17
  • 倒数4
 
没有尺寸要求,就是初学电源,先做一个样品,然后进入设计电源产品,用在自己的产品上面,不用买电源模块之类的。
XIAOTU80
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