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【龙腾原创】 充电器设计计算详解

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liang099
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LV6
高级工程师
  • 2014-8-4 14:35:42
刚入行1年半,把自己所学总结一下,也请各位验证是否正确。下面以一个5W充电器为例。



15V1A充电器选用8355设计。
2、输入:90V-264V
3、输出:5V1A
4、工作频率:60KHz(频率高变压器可以选择更小每个周期所传递的能量减小,但是开关管的导通频率增加损耗增加,辐射也偏高,反之开关损耗小单位周期传递的能量多)
5、效率 5V1A 68.2% 71%
6VCC 16.5V(充电器CV2.5 VCC会下降,所以选取VCC导通阀值电压)
设计经验:1、外壳结构大选择工作频率低的IC,EMC效果要好,结构小反之选择工作频率高的IC以选取小的变压器,在选择时要先了解IC是否有确认有哪些注意点,在设计时避开这些问题.
2、另还有SSR结构的方案,358去设计充电器实现恒压(CV)作用,1下的可以考虑,输出大于1A不建议使用因为358在输出回路上的采样电阻压降会很大,
3、尽量选择带线补和抖频的IC,目前我碰到的有很多带1.8m线加micro5pin头压降会很大,另抖频有更好的EMC效果。
4、工作方式,PSR(原边反馈)都是DCM模式因为需要一个去磁检测。
admin
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管理员
  • 2014-8-4 14:55:34
 
支持这样的总结型帖子!
多谢LZ
liang099
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LV6
高级工程师
  • 2014-8-4 14:58:40
 
首先我们先设计变压器,可以得到后面器件选型的电压电流。 1、 计算最小输入电压:Vinmin=Vinac*1.2=90*1.2=108V
11:交流整流后的电压等于交流电压*1.414,因整流后滤波会有压降所以选择1.2.
12:变压器低压工作为最恶劣的环境所以设计时选取低压设计。

2、磁芯选择:AP=【(Po/η+Po*10000/2*ΔB*ƒ*J*Ku
=【(5/0.71+5*10000/2*0.21*60*1000*400*0.2
=120422/2016000
=0.059cm4
ƒ=60*1000 Hz
J电流密度=400
Ku绕组系数=0.2
EE13 AP=0.057 AE=17.1
设计经验:1Ae值小效率低温度高,磁芯面积小扇热差,罐装磁芯辐射好,长宽磁芯漏感小。
2AePo*2

3、初级匝数:Np=Vinmin*Dmax/ΔB/Ae/ ƒ= VINmin*ton/ΔB/AE Ton=T*D=1/60000*0.45=7.4us 占空比:D=Ton/Ton+Toff 解方程式得 Ton=T*D
Np=108*7.4/0.3/17.1=155T经验选取135T(变压器是调出来的,不是计算出来的,所以不要把设计结果看的太重要,为了使制作更加方便,改成135T,计算过程:7.5(槽宽)/0.16(线径)=46T 46*3(层)=138T 方便生产留3-5T余量选择135T。线径在下面已经算好0.14加漆膜厚度0.2=0.16mm

4、ΔB计算:
ΔB=Bs-Br*62%=390-55*62%=335mT*0.62=0.21T
Bs:饱和磁通密度 Br:剩余磁通密度
PC40 Bs390mT/100 Br55mT 设计经验:PC44饱和磁通密度高,剩磁小,功率损耗小,所以效率高温度低,相对PC40不易饱和。

liang099
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LV6
高级工程师
  • 2014-8-4 15:51:24
 
5、NS=Vo+Vd*1-D)*NP/VINmin*D=5+0.6*1-0.45*135/108*0.45=9T
占空比太小峰值电流就比较高,占空比大Vds升高成本增加。,尽量让占空比接近0.5Vor比较合理。
6N=Vinmin/Vs*Dmax/1-Dmax))=108/5.6*(0.45/0.65)=13.3T 15
经验: 匝比大,Vds高、效率高、肖特基反向电压低。
Vor =(Vo+Vf) * Np/Ns=5.6*135/9=84V 反推匝比N=Vor/Vs
Vor=Vds-Vinmax-Vleg-余量(2050
Vds=Vinmax+Vor+Vleg+余量=374+84+100+40=598V(2050
Vo + Vin(max) * Ns/Np =肖特基反向电压 =5+374*9/135=30V
7、峰值电流计算:Po/η=Vinmin*Iav=Vinmin*Ip2+Ip1*Dmax/2
Ip2+Ip1=2Po/η/ Vinmin/ Dmax
=2*5/0.71/108/0.45
=0.29A



T*Iav=1/2*Ton*Ipk
Ipk=2/D*Iav
8、平均电流计算:Iav=Ip2+Ip1*Dmax/2
=0.29*0.45/2
=0.065A

9、有效电流计算:Irms=Ipk*D/3)根号=0.29A*(0.45/3)=0.0435A



10、ΔI 计算:CCM Ip2=3Ip1
DCM Ip1=0
ΔI =Ip2-Ip1
=0.29A
11Lp计算:LP=VINmin*ton/ΔI=108*7.4/0.29=2.7mH(感量越高效率越高,容易饱和) 这里个人根据经验觉得太大实际使用1.75mH
12Dp=有效电流/电流密度/3.14的根号*2=0.0435/4/3.14)根号*2=0.12mm 实际使用0.14
电流密度取4-6.
13Ds=有效电流/电流密度/3.14的根号*2=1/6/3.14)根号*2=0.46mm
多股线计算=Ds/根号股数
14线径及根数

集肤深度:导线线径不超过集肤深度的2倍,若超过集肤深度,则需多股并绕。δ=6.61/√∫cm


15Nvcc计算:Ns=Np/N=135/15=9T
Va=Vo+Vf/Ns=5.6/9=0.62V/T
Nvcc=Vcc/Va=16.5/0.62=27T
总结:变压器不是计算出来的是调出来的,不同的方案,设计重点也不一样,设计需保证方便生产。
如何方便生产:
1、初级绕组尽量放第一层,便于绕线平整。
2、尽量满层绕制以便后道绕组平整。
3、画板时尽量避免绕线时挂线交叉避免套管。
4、适当调整线径,避免大线包磁芯装不进。
5、屏蔽尽量少,EMI尽量从其他地方入手解决,变压器是手工产品尽量简单。
6、飞线长度需一样,减少生产工时。
liang099
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LV6
高级工程师
  • 2014-8-7 16:33:17
 
1、保险丝选择
I=[Po/效率/Vin(min)/0.6]*2 0.6为不带功率因素校正的功率因素估值
保险丝计算,我也查过很多资料后来自己找了个方法,输入额定电流的2倍结果跟上面公式差不多。
经验选择:4W以下10R,1/2W.4-5W 10R 1W,还有见过4.7R的都可以。5W以上不建议用绕线电阻,我问过2个厂家绕线电阻浪涌承受能力30A左右,而且绕线电阻还有个缺陷经常出故障不断开,不过最近听说一个半短路绕线电阻据说可以断开,还没试。15W以下1A保险丝即可。
最好选慢断的有助于过雷击和误动作。
liang099
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LV6
高级工程师
  • 2014-8-7 16:50:21
 
2、压敏电阻选择。

小功率一般用不上,不过有做过一个12W的充电器雷击NG,电容坏保险丝坏,装了一个471的压敏电阻立竿见影,后来又试了品牌电容去雷击OK了,所以要根据实际情况选择,有空间的情况下选择压敏电阻,没有空间的时候可以把打坏的器件用好一点的也能过,但是有一点不能忽悠认证,用好的过了,大货又用成差的,因为有些大客户自己会跟终端产品再次去做认证,我有遇到过哦。
liang099
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高级工程师
  • 2014-8-8 10:17:57
 
3、桥堆选择:
Vd=2 √2*Vinmin=2*1.414*264=747V
BR1=5*(Po/η/Vinmin)=5*(5/0.71/108)=0.33A
liang099
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高级工程师
  • 2014-8-8 14:39:11
 
4:大电解选择。
经验值Po*2=容量(CE1+CE2)
耐压:Vinmax=264*1.414=373V
电容取小会导致低频纹波大,低压不起机。
前级方小电容,后级放大电容有助与EMI
电容取小还会影响MOS的温度哦。
liang099
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LV6
高级工程师
  • 2014-9-22 18:17:33
  • 倒数4
 
18L1 L2选择。
改变电感量去整改传导传导测试OK即可。
电流计算:I=Iav*3=0.065*3=195mA
19R1选择:
2K-10K作用整改200K-500KEMI

20L2选择:
1uh-5uH 对输出纹波和EMI有改善。
21D1C1R2RCD钳位电路。

Vsn(电容两端电压)=0.9*BVdss-Vin max=0.9*650-370=215V
VRO(反射电压)=Vo+Vd)/NS/NP=5.6/9*135=84V

R=2Vsn-Vor)*Vsn/Lk*Ip*Ip*fs=2*215-84*215/70*0.29*0.29*60=160K

PR=Vsn*Vsn/R=215*215/160000=0.29W

钳位电容的值C=Vsn/ΔV*R*fs=215/17.2*16*60=0.00012335uF=122pF122/1KV

这个脉动电压ΔV取钳位电压Vsn5%-10%


R12作用:减小RCD电路震荡用的,对辐射70MHz有良性的影响。

Vds波形,尖峰由漏感造成。


22MOS选择:

VdSS=2*Vinmax=2*370=740V

Vds=Vinmax+Vor+漏感(100V+30(余量)


23Rcs(R5R6)

Rcs=Vcs/IpK*1.2=0.5/0.29*1.2=1.43R

PR=Vcs*Ipk*2=0.5*0.29*2=0.29W

24FB电阻(R4R5R6

Vo=((上篇/下篇+1*Vref

PR=Vo/R=0.61W

25C3采样电压滤波防止IC误动作(经验选择47-100pF)

26C5高频滤波、C2环路补偿、C6Vcc供电、R3限流电阻,参考IC资料

27D3肖特基选型。

I(标称电流)=Io*2-3倍)

反向电压= Vo + Vin(max) * Ns/Np


LED-1
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助理工程师
最新回复
  • 2017-11-23 15:19:49
  • 倒数1
 
R=2Vsn-Vor)*Vsn/Lk*Ip*Ip*fs=2*215-84*215/70*0.29*0.29*60=160K
这个公式中的2是怎么来的
YTDFWANGWEI
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  • 2014-8-4 16:46:28
 
变压器是调出来的,不是计算出来的,所以不要把设计结果看的太重要,, 应该说是变压器是计算后优化出来的,不能说不是计算出来的吧?否则还计算干嘛?或者说,没有前几次的计算,哪里来的经验?
liang099
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  • 2014-8-4 17:03:32
 
谢谢改正
xbadx
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  • 2014-8-4 15:02:26
 
支持楼主 多多更新给新人一个学习的机会
liang099
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高级工程师
  • 2014-8-4 15:10:43
 
谢谢
张高琨
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  • 2014-8-4 15:16:29
 
采样电阻一样可以做得很小的.
用猛铜丝采样,358选好的,再放大再作比较,一样是可以做得很好.


一样可以做到负载补偿输出线损.同样的DC线,不管用啥方案都是存在线损,用粗的成本高.



liang099
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高级工程师
  • 2014-8-4 15:18:10
 
这样好费事哦设计难度上去了,成本也高上去了,还不如原边反馈做了。
张高琨
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  • 2014-8-4 16:27:48
 
难度并没有增加什么.架构明白了就好




不要去抄太多别人的东西..而是你要领悟他里面的内容.变成自己的内容.
YTDFWANGWEI
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  • 2014-8-6 09:07:51
 
赞成,只会套用公式,最终就变成什么公式都不懂了。
liang099
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高级工程师
  • 2014-8-7 17:09:33
 
哈哈 赞成我都是一个问题查很多资料,再问很多人,然后去验证,整理一个与实际最靠谱的东西转换为自己的东西。
ok66009
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本网技师
  • 2014-8-8 09:47:12
 
我也是新手。学习下。。都是老熟人向你学习。
liang099
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高级工程师
  • 2014-8-4 15:29:08
 
SSR我没有见过有线补功能,原边反馈大部分都是有线补的。
张高琨
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  • 2014-8-4 16:26:58
 
副边反馈.随便你怎么折腾都行了,


原边的只是芯片内部设定好的,
liang099
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高级工程师
  • 2014-8-4 16:34:06
 
恩,各有优缺吧。
jxq447586125
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本网技师
  • 2014-8-5 21:40:15
 
大力支持这种文章,希望以后能看到更多的,更详细的,让我们这些新手能更好的理解。在此代表所有的入门者感谢你!!!
forget
  • forget
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LV8
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  • 2014-8-6 09:47:19
 
请问你这个PSR原边反馈的的负载调整率怎么样呢?我以前做的恒压12V输出,在空载时候飘到14V,带负载跌倒10V。请问这个应该怎么改善呢?
张高琨
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  • 2014-8-6 10:02:35
 
空载高了?假负载小了?


12V设定的,空载有14V那13V的时候,能带多大电流?有可能是变压器反馈绕组没有绕好.需要重新改善变压器工艺.
10V就掉的话,可能是你设定的OCP小了,
forget
  • forget
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LV8
副总工程师
  • 2014-8-6 16:38:56
 
当初设计的是12V2A,结果带负载2A的时候,电压就跌落到10.5V了。请问应该怎么改进变压器绕制工艺呢?
YTDFWANGWEI
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  • 2014-8-6 22:50:07
 
你的变压器绕组是如何绕制的?
wangjun0854
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高级工程师
  • 2014-8-7 17:04:23
 
OCP调到最低下限了吗?
YTDFWANGWEI
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  • 2014-8-6 13:32:50
 
psr的变压器如果绕的不好调整率就会很差啊。
liang099
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高级工程师
  • 2014-8-7 15:52:58
 
先要确认你这个是,假负载小了,导致空载电压飘还是线损压降大,量一下线端和USB的电压比较排除,线损大,选择带线补的IC,我刚调好一个12V1A的效率79%,传到辐射都OK了,有问题我们可以交流。
wangjun0854
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高级工程师
  • 2014-8-7 17:03:02
 
调环路电阻和采样电阻咯
wuxin0127
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本网技师
  • 2014-8-6 22:16:58
 
虽然看了很多这种5V/1A的贴子,但依然挺你,谢谢
liang099
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LV6
高级工程师
  • 2014-8-7 15:53:58
 
哈哈,其实5V1A的会了就很简单,我发这贴主要的目的是把调试的经验分享一下。
kldwei
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LV2
本网技师
  • 2014-8-8 09:39:16
 
非常不错,我是新手,以后多关照哈,
liang099
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LV6
高级工程师
  • 2014-8-8 09:42:34
 
谢谢捧场 共同学习
tingting2013
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LV8
副总工程师
  • 2014-8-30 08:17:35
  • 倒数10
 
原边的IC 只要变压器调节的好,就没有问题。
gdszjia
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LV2
本网技师
  • 2014-8-31 16:21:09
  • 倒数9
 
支持,这样可以降低成本。
peter2014
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LV2
本网技师
  • 2014-9-1 10:47:06
  • 倒数8
 
非常好,关于保险丝的解释很到位
sncms7
  • sncms7
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  • 初级工程师
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LV4
初级工程师
  • 2014-9-1 15:17:27
  • 倒数7
 
我也来学习
surface
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高级工程师
  • 2014-9-5 20:56:50
  • 倒数6
 
随着社会的快速发展,手机越来越成为人们生活中不可或缺的一部分。如果某人的手机没法使用,将对他的工作、生活造成巨大影响,甚至损失。而手机电池没电是造成手机无法使用的最常见原因。目前市场上出售的手机电池充电器,仅能对相应的一种手机充电,而且每部充电器的价格在人民币30元左右,这就 意味着,要配齐目前市场上出售的所有20多种充电器,将是一笔较大的开支。
surface
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LV6
高级工程师
  • 2014-9-5 20:59:27
  • 倒数5
 
为了使手机、电动自行车等所使用的充电器实现自动充电的功能,大都采用各种各样的专用IC充电器集成电路和各种采样电路。本文介绍一种既能省去复杂的IC电路及其外围电路,又能够实现自动充电功能的电路。
何仙公
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  • 2014-9-23 11:36:20
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luos13728909196
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  • 2014-9-24 17:20:47
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型号 参数 单价/含税
MB10M 1000V 0.16
MB10S 1000V 0.145
MB10F 0.8A 1000V 0.145
MB6S-46MIL 0.8A 600V 0.145
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