反激式(RCD)开关电源原理及设计.pdf

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从上图可以看出,电感电流始终降到0后再到最大:所以这种模式叫不连续模式 (DcM模式)。 把上边的 Buck-Boost变换器的开关管和续流管之间加上一个变压器就会变成反激 变换器! uo NI3/C N2 C R K 还是和上边一样,先把原理大概讲下: 1.开关开通,变压器初级电感电流在输入电压的作用下线性上升,储存能量。变压 器初级感应电压到次级,次级二极管D反向偏置关。 2开关关断,初级电流被关断,由于电感电流不能突变,电感电压反向(为上负下 正),变压器初级感应到次级,次级二极管正向偏置导通,给C充电和向负载提供能量! 3开始下个周期。以上假设C的容量足够大,在二极管关断期间(开关开通期间) 给负载提供能量! 咱先看下在理想情况下的VDS波形 CCM Vgs ON OFF Vds m 上面说的是指变压器和开关都是理想工作状态! 从图上可以看出vds是由vN和VF组成:V|N大家可以理解是输入电压,那VF 呢? 这里我们引出个反激的重要参数:反射电压即VF,指次级输出屯压按照初次级的 比反射到初级的电压。可以用公式表示为VF=VOUT(NSNP),(因分析的是理想情 况,这里我们忽略了整流管的管压降,实际是要考虑进去的) 式中VF为反射电压; VoUT为输出电压; NS为次级匝数; NP为初级匝数。 比如,一个反激变换器的匝比为NP:NS=6:1,输出电压为12V,那么可以求出 反射电压ⅤF=12/(1/6)=72V。 上边是一个连续模式(cCM模式)的理想工仵波形。 下面咱在看一个非连续模式(DCM模式)的理想工作波形 DCM NOFF gs VF VIN Vds 从图上可以看出DCM的vas也是由V|N和VF组成,只不过有一段时间VF为0 这段时候是初级岂流降为0,次级电流也降为0。 那么到底反激变化器怎么区分是工作在连续模式(CCM)还是非连续模式(DCM)? 是看初级电感电流是否降到0为分界点吗,NO,反激变换器的CCM和DCM分界 点不是按照初级电感电流是否到0米分界的,而是根据初次级的电流是否到0米分界的。 如图所示 CCM DCM gs ONOFF ONIOFE gS VE VE Vds VIN Vds VIN IS n VIN Vds 从图上可以看出只要初级电流和次级电沇不同时为零,就是连续模式(CCM); 只要初级电流和次级电流同时为零,便是不连续模式(DcM); 介于这俩之间的是过度模式,也叫临界模式(CRM)。 以上说的都是理想情况,但实际应用中变压器是存在漏感的(漏感的能量是不会耦 合到次级的),MOs管也不是理想的开关,还有PCB板的布局及走线带来的杂散电感, 使得MOS的vds波形往往大于VN+VF。关似于下图 位图 1:…!"…"!"!""t""!"中"g""! 存储位置 保存 】500Bwh2_0HfM500从s 一个48V入的反激电源 从图上看到MOS的Vds有个很大的尖峰,我用的200V的MOs,尖峰到了196 了。这是尖峰是由于漏感造成的,上边说到漏感的能量不能耦合到次级,那么MOS关 断的时候,漏感电流也不能突变,所以会产生个很高的感应电动势,因无法耦合到次级, 会产生个很高的电压尖峰,可能会超过Mos的耐压值而损坏MOs管,所以我们实际使 用时会在初级加一个RCD吸攻电路,把尖峰尽可能的呶到最低值,来确侏M○S管工作 在安全电压。具体RCD吸收电路图如下 DRI T re D本 简单分析下工作原理 1当开关S开通时,二极管D反骗而截至。电感储存能量。 2当开关S关断时,电感电压反向,把漏感能量储存在C中,然后通过R释放掉。 细心的朋友可能会发现,当开关关断的时候,这个RCD电路和次级的电路是一模一样 的,D整流,C滤波。R相当J负载。只不过输出电压不是VO,而变成了次级反射到初 级的电压VF。所以,注意了,R的值不能取得太小,太小了损耗严重,影响效率。而且 电阻的功率会变的很大! 下边来个加了RCD吸收的波形 Bit Map 1非 位图 "!""!"!""""!"!!"!!""! 存储位置 保存 H50DBw0h2_0ffM500从s T CHI 600y 关于RCD吸收的选取网上有很多文章,在以后我会介绍下! 面讲下变压器的设订方法! 变压器的设计方法有多科,个人感觉适合自己的才是最好的,选择一个你自己最熟 悉的,能够理解的才是最好的 我先介绍下一种设计方法: 1.先确定输入电压,一般是按照最低输入直流电压计算 XiNmin计算 A.要是直流输入按直流的最低输入来计算; B要是输入为交流电,一般对于单相交流整流用电容滤波,直流电压不会超过交流 输入电压有效值的1.4倍,也不低于1.2倍。 列如,全范誾交流输入85-265∨AG的电源,一般按85VAG时计算,那 V|Nmin=85*1.2=102∨,一般会取整数按100VDC计算。 2确定导通时间Ton 导通时间Ton-TD T为周期T=1/F D为最大占空比,一般在最低输入电压的时候,D会最大,保证输出稳定。 注意大的占空比可以降低初级的电流有效值,和MOs的导通损耗,但是根据伏秒 法则,初级占空比大了,次级的背定会小,那么次级的峰值电流会变大,电流有效值变 大,会导致输出纹波变大!所以,一般单端反激拓扑的占空比选取不要超过0.5。 而且一般的电流控制模式,占空比大于05要加斜率补偿的:对调试是个难度。 还有一重要的是你的占空比决定你的匝匕,匝比决定啥,嘿嘿,反射电压VF,忘了 再去上边看下,再加上你漏感引起的尖峰,最终影响你M○s的耐压。占空比越小匝比 越小,反射电压VF越低,MOS的电压应力小。反之MOS的电压应力大,所以占空比 要考虑好了。要保证再最高电压下你的VDs电压在MOs的规定电压以下,最好是降额 使用,流出足够的余量来! 列如,电源的开关频率为100K,最低输入时的最大占空比为04,那 T=1/10000010μS,那么Ton=04*10pS=4pS。 3确定磁芯的有效面积AE AE一般会在磁芯的资料中给出。 4计算初级匝数NP NP=V| Nmin"Ton/△B*AE 式中V|Nmin为直流最低输入电压; Ton为导道时间 AE为磁芯的有效面积 AB为磁感应强度变化量,这个值和磁芯材质,及温升等有关,一般考经验来选取 在0.1-0.3之间,取得越大,余量越小,变压器在极端情况下越容易饱和!俺一般取0.2。 5.计算次级匝数Ns NS=(Vo+Vd)*(1-D)*NP/INmin*D 式中Vo为输出电压 vd为二极管管压降 D为占空比 NP为初级匝数 VINmin为最低输入电压 6确定次级整流二极管的应力VDR 上边算出变压器的初级匝数NP和次级匝数NS后,就可以得出次级整流二极管的 电压应力 VDR=(VINmax"NS/NP)+VOUT 式中Ⅵ INmax为最大输入电压,要保证在最高输入电压下你的二极管的电压应力不 超标。一般算出来的这个DR还要考虑降额使用,所以二极管的耐压要高于这个VDR 值 一般还要在整流管上并一个RG吸收,从而降低二极管反向回复时间造成的电压尖 峰!尤其是CCM模式的时候! 7确定初级电感量LP 确定电感量之前我们先看下上边的两个电流图 Ip2 Ip2 : p Ip1 对于上图是两种工作模式的初级电感电流波形,我加了两个参数p1和lp2; lp1对应最低输入电流 lp2对应最高峰值电流 有上边这两个我们也就可以算出平均电沉lavg了 lavg=(lp1+lp2) Dmax/2 式中Dmax为最大占空比 如果输出功率为Pout,电源效率为H,那么 Pout/H=VINmin*lavg=VINmin*(lp1+lp2) Dmax/2 得出p1+p2=2Pout∧| MiniMax*H 然后就可以计算p1和lp2的值了 对于DCM来说,电流是降到零的,所以l1为零 对于GCM米说lp1和lp2都是未知数,又出米个经验选择了,一股取lp2=(23) lp1,不能取得太小,太小了会有一个低电流斜率:虽然这样损耗小点,但容易使变压器 产生磁饱和,也容易使系统产生震荡!俺一般取l2=3|p1 计算出|p1和p2后,这时候可以计算初级的电感量了 在Ton内电流的变化量△=p2l1 根据(V| Nmin/LP)*on=/A 得出LP= XINmin"Ton/△ 到此变压器的初级电感量计算完毕,变压器的参数也计算完毕! 还有一种计算方法,就是按照上边的确定初级电感量的方法先确定电感量,然后来 选择磁芯,选择磁芯的方法有很多种,般最常用的是AP法 这个公式是看资料上的,具体我也没摧倒过具体可以看看赵修科老师的那本《开关 电源中的磁性元器件》。 式中L为初级电感量也就是LP lsp为初级峰值电流l也就是A, lL为满载初级电流有效值,但我往往会把lsp和l1L看成是一个,都是初级的峰值 电流,所以仁者见仁智者见智,大家可以到应用时具体的来微调! Bmax为磁感应强度变化量也就是△B这个取值和上边一样,取得太大,磁芯小但 容易饱和,而取得太小磁芯的体积又很大,所以一般折中取值!而且和频率关系也很大 要是频率很高,建议取小点,因为频率高了损耗也大,变压器大了有利于散热俺经常取 0.2! K1=Jmax* Ko*10-4 其中Jmax为最大电流密度俺一般取450A/平方厘米。但赵老师书里取得是420A 平方厘米 Ko为窗∏面积,有的也叫窗∏利用率吧,般取02-0.4,具体要看绕线的结构了, 比如加不加挡墙等因素,所以选取时要充分考虑,免得因取得变压器太小,结构要求苛 刻而绕不下,导致项目失败! 10-4是由米变厘米的系数 所以上式整理下可得 AP=Aw*Ae=(LP*P2*104/450*AB*Ko)43Cm4 计算出了AP就可以找到合适的磁芯,然后找到Ae再根据式 NP=LP*IP/AB*Ae AP=A-Ae==p 1 cm B K

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2019-09-13
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