反激式开关电源原理与工程设计

1、反激式开关电源原理与工程设计 反激式开关电源的原理分析 反激式开关电源实际电路的主要部件及其作用 反激式开关电源电路各主要器件的参数选择 四 反激式开关电源 pcb 排板原则 五 变压器的设计 六 反激式开关电源的稳定性问题 反激式开关电源原理与工程设计 反激式开关电源的原理分析 1. 反激式开关电源电路拓扑 VT1 2. 为什么是反激式 a. 变压器的同名端相反 b. 利用了二极管的单向导电特性 3. 电感电流的变化为何不是突变 电压加在有电感的闭合回路上，流过电感上电流不是突变 的，而是线性增加。 愣次定律： a. 当电感线圈流过变化的电流时会产生感生电动势，其大 小于与线圈中电流的变化率

2、成正比； b. 感生电动势总是阻碍原电流的变化 4. 变压器的主要作用与能量的传递 理想变压器与反激式变压器的区别 反激式变压器的作用 a. 电感（储能）作用 遵守的是安匝比守恒（而不是电压比守恒） 储存的能量为 1/2 L Ip2 b. 限流的作用 c. 变压作用 初次级虽然不是同时导通，它们之间也存在电压转换关系， 也是初级按匝比变换到次级，次级按变比折射回初级。 d. 变压器的气隙作用 扩展磁滞回线，能使变压器更不易饱和 磁饱和的原理 电感值跟导磁率成正比 导磁率 =B/H B是磁通密度 H是磁场强度 简单一点 ,H 跟外加电流成正比就是了， 增加电流 , 磁流密 度会跟着增加 , 当加

3、电流至某一程度时 , 我们会发现 , 磁通密度会增加得很慢 , 而且会趋近一渐近线 . 当趋近 这一渐近线时 , 这时的磁通密度 , 我们就称為饱和磁通密 度 , 电感值跟导磁率成正比 , 导磁率 =B/H B 是磁通密度 ,H 是磁场强度 （ 电流增加 ,H 会增加 .） H会增加 , 但 B 不会增加 , 导磁率变化量会趋近零啦 ! 电感值跟导磁率变化量成正比 , 导磁率变化量趋近零 , 那 电感值会是多少 ? 零 5. 开关管漏极电压的组成 a. 高压为基础部分 b. 折射回来的电压部分 c. 漏感产生的尖峰部分 波形 6. 反激式拓扑开关电源有两种工作模式 ： (1) 完全能量转换，

4、也叫做非连续导通模式。 该模式的特点 是，变压器在储能周期中储存的所有能量在反激周期都转移到输 出端。 (2) 不完全能量转换， 也叫做连续导通模式。 存储在变压器 中的一部份能量保留到下一个储存周期开始。 工作模式是由初级电流和负载电流决定的 2、结合图 1以非连续导通模式为例分析反激式开关电源的工 作原理。该模式反激式拓扑开关电源的一个工作周期中有励磁、 去磁、非连续导通三个阶段。 (1) 励磁阶段：当开关 VT1导通时，变压器初级励磁电感中 的电流从零开始上升。 由于次级边的二极管具有单向导通性， 此 时二极管反偏， 在次级不导通电流， 输出滤波电容 C向负载供电。 由于此阶段的作用是向

5、初级励磁电感补充能量， 以为在下一个阶 段向次级绕组转移能量做准备，因此这个阶段被称为励磁阶段。 (2) 去磁阶段：当励磁阶段结束后， VT1停止导通。由于电 感电流不能突变， 励磁电感电流开始在初级电感上续流， 能量通 过变压器转移到输出端，在次级边上，二极管正向导通，输出端 得到能量。此时，励磁电感上的电压反向，励磁电流开始下降， 因此该阶段被称为去磁阶段。 (3) 非连续导通阶段： 当励磁电感的电流下降到零时， 变压 器初级边的能量己经完全转移到次级边， 次级边上二极管不再导 通。此时反激式拓扑中的初级和次级绕组都不导通电流， 等待着 下一个周期的到来。在连续导通模式下，不存在这个阶段。

6、 7电流控制模式 电流控制模式特点：有两个反馈环 1. 一个由电流检测电阻 输入电压和脉宽调制器组成响应速度 快的内环组成 2. 一个由分压电阻、误差放大器组成的响应速度慢的外环 二 反激式开关电源实际电路的主要部件及其作用 1. 实际电路（ 1） CAP L1 10mH VSR 1A 220V D1-D4 IN5819 2.2nF 4uH MUR120 STPS30L VTS 8.6M P6KE200 + C5 47uF D5 R2 R4 R106 T1 M + C1 BAV20 EEL25 47uF R3 2M C4 4.7nF C6 + C7 + 3300uF 3300uF R7 91

7、C8 1000uF 5V 4A 5M U2 PC817D R10 U1 TOP256MN R3 15.4K C2 R6 6.8 100 + C3 47uF 4.7uF R8 2K 10K C9 U3 TL431 C10 100nF R11 10K 2. 我司电路 a. FD9022 b.FD9020 C13 R17 1N4007*4 47R 102/1KV L2 EE25 100nF/0805 1000uF/25V D7 SR3100 NC D8 SR310 1M/1206 1MK/1206 10R/1206 IN4007 C12 VDD FB GND NC DRAIN CS R9 RV1 1

8、K/0805 10D471K TL431C PC817 U1 C6 EC7 3uH/2A C1 0.1uF/275V X 1000uF/25V CN1 SIP4 GND 12V 12V C2 332 0.1uF/275V X 电容 GND 4.7uF/50V GND FD9020 DRAIN CY1 SCHEMATIC1FD9020DB DEMO B Document Number: A0 Date: Thursday , February 26, 2015 Sheet: 1 of 1 1N4007*4 21 1M/1206 1MK/1206 NTC 10D_9 X 电容 EC1 22uF/4

9、50V 43 LF1 UU_9.8 X 电容 25mH CY2 T1 EF25_1205 2 1 FR154 FR107 SR360 10R/1206 C5 U1 VDD GND R16 1K/0805 FB GND NC DRAIN CS R3 1M R4 1M R6 NC R7 NC R12 62K/1W C2 1NF/1KV EC10 220uF/35V R15 510R/1206 222M Y 电容 L5 10uH 100NF/0805 EC2 4.7uF/50V EC9 100uF/35V L2 R19 10K/1206 CON4 1 1 10UH/2A 1 D11 1000uF/1

10、6V R22 NC C8 NC 1000uF/10V NC R5 1R/1W RV1 10D471K T2AL 250VAC FD9020 DRAIN 7 6 5 R8 2K/0805 3K/0805 R14 FR154 2 510R/0805 10UH/2A NC EC8 EC7 1000uF/16V R21 C7 NC 470uF/10V C10 C3 ZD1 4 3 1 2 U3 47NF NC NC TL431C R11 PC817 3K/0805 3K/0805 U2 CY1 R9 1K/0805 R10 NC EC6 CN7 1 3 GND 24V GND 5V 5V GND 4V

11、 三 反激式开关电源各主要器件的参数选择 1. 输入电路设计 保险丝 最好用延迟型的保险丝，平均电流的 5 倍 热敏电阻 10 欧/耐压问题， 10mm， 14mm，20mm 共模滤波器 5 倍的平均电流， 25 40MH 安规电容交流 250V-275V 的 X2 电容 ;Y2 安规电容交流 250V-275V 压敏电阻 10mm, 14mm 470V-680V 耐压的 2. 交流整流管的参数选择 整流管选用 600V 800V 的管子； 额定电流为最大电流 3-5 倍 ， 习惯选 5 倍 3. 输入滤波电容选择 1W/1.5-2U , 耐压为最高电压 +（3050V） 例如 265 V 1

12、.4=370V 选用 400V 耐压的电解电容 285V 1.4=399V 选用 450V 耐压的电解电容 4. 开关管的选择 a. 耐压余量 耐压取理论值加 80V ，原则上不宜太大，也不宜太小，余 量太大，导通电阻大，导通损耗大， b. 电流余量 电流值应取最大电流的 3-4 倍，注意是 100时 5. 箝位电路参数的选择 a. 箝位电容的选择 b. 箝位电路电阻的选择 c. 箝位电路的阻断二极管的选择 6. 输出整流二极管的选择 a. 电压余量 耐压的理论计算值 =最大交流电压 1.414N1/N2+Vo+尖 峰+30V b. 电流余量 流过整流管的电流为输出电流平均值的 4 倍，因此选

13、择 整流管的额定电流应为输出平均电流的 35 倍 c. 输出滤波电容的选择 ESR 小的高频电解 1A/1000U 反激式电路 耐压 30,10V,16V,25V,35V 60V,100V d. 输出滤波电感 3UH 四 反激式开关电源 pcb 排板原则 一般原则： （反射噪声，串扰，开关噪声，地弹，轨道塌陷，以及辐 射） a. Pcb 走线长度减少一半，则其电感也减少一半，但走线宽 度要增加 10 倍才减少一半 b. 电流路径 小电流信号尽可能与大电流信号的地回路分 开；高压信号尽可能与低压信号远些；多路输出的地回路 有条件尽可能分开 c. 减小电感的方法 实际情况 a. 初级回路 b. 次

14、级回路 c. 初次级回路的安全距离 d. 典型排板案例 （第一版本 ） 第二版本：初级地分开汇总到高压电容，次级地一路汇总到变压器 ） （第三版本：次级地 12V 5V 分开汇总到变压器 ） 五 变压器的设计 1. 实用的工程设计计算 FD9020 5V/2A 12V/0.5A 变压器： 输入电压： 90V265Vac 输出功率： 16W 效率 =80% 占空比 D=0.45 频率 F=65K 由于工作在宽电压范围，设计按连续模式计算 1、峰值电流计算 (最大峰值电流设在交流电压最低的情况计 算) Po=Pin*=Udc*Idc*D* Idc=(Ip1+Ip2)/ 2 Ip1+Ip2=2*Po

15、/(Udc*d* )=2*16/(90*1.414-20)*0.45*0.8) =2*16/(107*0.45*0.8) =0.8307A Ip2=4Ip1 Ip1=0.166A; Ip2=0.664A Ip=Ip2-Ip1=0.498A 2、初级电感量计算 L* Ip=Udc*Ton Ton=D*T=D/F L=(Udc*D)/(Ip*F)=107*0.45/(0.498*65)=1.487mH 3、匝比及各绕组匝数计算 取反射电压 Ur=80VD/(1D)V(100V) N=Ur/(Uout+0.5)=80/ 5.5=14.5 查表知 EE22 Ae为 36.7mm2 取B为 0.25 N

16、p=(Udc*D)/(B*Ae*F)=(107*0.45*1000)/(0.25*36.7*65)=80.74 匝 Ns=Np/N=80.74/14.5=5.568 取整数 6 匝 反推原边 Np=Ns*N=6*14.5=87 取 87 匝 次级 12V路： N12V=Ns/Uout*U 12v=6/5 *12=14.4 取 14匝 辅助绕组： Na=Ns/Uout*Ua=6/5 *17=20.4 取 20 匝 各绕组匝数匝比： 原：辅： 5V：12V = 87： 20：6：14 4、各绕组线径计算 初级电流 Irms=Ip* D3= 0.8307*0.453=0.1857A 取 5A/mm

17、12V 输出： R2=0.5 5 D=2*R=0.3568mm，取 D=0.35mm 辅助路输出： 电流较小，为配线方便取 D=0.23mm 5V输出： 3* R2=2 5 D=2*R=0.412mm，取 D=0.45mm 综上： 初级： R2=0.18575 D=2*R=0.2175mm，取 D=0.23mm 初级 Np = 87 匝 线径 0.23mm*1 5V路 Ns = 6匝 线径 0.45mm*3 12V路 N12V = 14 匝 线径 0.35mm*1 辅助 Na=20 匝 线径 0.23mm*1 Lp=1.487mH 5、CS电阻计算 R= 0.8V/Ip2 = 0.8/0.66

18、4 = 1.2R 保留一点裕量取 1R电阻 2. 传统的 Ap 3. 变压器的工艺问题 (三明治，分层，绕向，磁路，磁材 形状) 减少漏感的工艺 安全工艺 改善辐射工艺 降低成本工艺 六 反激式开关电源的稳定性问题 七 关键器件的特性 功率 VDMO场S 效应晶体管具有双极型功率晶体管不具备的许多独特优点： 1、开关速度非常快 功率 VDMO场S 效应晶体管是多数载流子器件，具有非常快的开关速度，不存 在双极型功率晶体管的少数载流子存贮效应，没有存贮时间。开关时间可达几 ns 至数十 ns。一般低压器件开关时间为 10ns 数量级，高压器件位 100ns 数量级。 特别适合于制作高频开关，可以大大减小电抗元件的损耗、尺寸和重量。 功率 VDMO器S 件的开关速度主要决定于器件的内部电容的充、放电，并与工 作温度无关。 2、高输入阻低和低驱动电