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
图1 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 图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。 图3 EI28的Ve=4150(mm3),EI30的Ve=6440(mm3),EER28的Ve=5250(mm3),所以EI28不满足要求,EER28和EI30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=4969(mm4),那么EI28的AP=86*69.8=6002(mm4),EER28的AP=82.1*114=9359(mm4),EI30的AP=111*75.6=8392(mm4),上述两个磁芯都满足要求,EER的AP还远大于我们要求的AP=4969(mm4)。 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。 图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 图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。
|