主电路设计(开关电源)

1、第第7章章 主电路设计主电路设计 内容内容主要技术指标、主电路的选型主要技术指标、主电路的选型 、元器件参数元器件参数的计算的计算 ；热设计和结构设计热设计和结构设计 ；输入回路的设输入回路的设计计；电磁兼容技术与可靠性设计电磁兼容技术与可靠性设计 目标目标开关电源电路的基本设计思想和设计方法开关电源电路的基本设计思想和设计方法7.1 主要技术指标及其分析主要技术指标及其分析 7.1.1 输入参数输入参数 输入电压输入电压 ： 交流国内、国际标准，交流国内、国际标准，国际通用电压范围国际通用电压范围 。直流直流额定值和变化范围。额定值和变化范围。 输入频率输入频率 ：民用、工业为民用、工业为5

2、0Hz，航空、航天，航空、航天及船舶为及船舶为400Hz 。 输入相数输入相数 ：单相、：单相、三相，与功率有关。三相，与功率有关。 输入电流：输入电流：额定输入电流和最大电流额定输入电流和最大电流 。 输入功率因数和谐波：输入功率因数和谐波：标准规定，采取措施。标准规定，采取措施。 7.1.2 输出参数输出参数 输出电压：输出电压：额定值和调节范围额定值和调节范围。 输出电流：输出电流：额定值；过载倍数；调节范围额定值；过载倍数；调节范围 ；电流；电流下限下限 。 稳压、稳流精度：稳压、稳流精度：正负误差带正负误差带。 输出特性：输出特性：恒压恒流。恒压恒流。 纹波：纹波： 类型类型高频噪声

3、高频噪声、开关频率纹波开关频率纹波、低频纹波。低频纹波。 量化方法量化方法纹波系数、峰峰电压值、按三种频率纹波系数、峰峰电压值、按三种频率成分分别计量幅值成分分别计量幅值 、衡重法、衡重法 。 效率：额定条件下的效率：额定条件下的输入有功功率和输出功率之输入有功功率和输出功率之比。比。 7.1.3 电磁兼容性能指标电磁兼容性能指标 电磁兼容性：电磁敏感性和电磁干扰电磁兼容性：电磁敏感性和电磁干扰电子装置电子装置抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。 各国有关电磁兼容的标准很多，开关电源产品一各国有关电磁兼容的标准很多，开关电源产品一般用通用标准般用通用

4、标准( (IEC61000IEC610004 4和和GB/T17626GB/T17626系列系列) )。 7.1.4 其他指标其他指标 体积和重量体积和重量：减小体积和重量的最有效途径是提减小体积和重量的最有效途径是提高开关频率高开关频率 环境温度：环境温度：民用民用0 04040，工业用，工业用-10-105050，军，军用、航空航天、舰船用用、航空航天、舰船用-55-55105105。 海拔高度：加大绝缘的间距海拔高度：加大绝缘的间距 7.2 主电路设计主电路设计 7.2.1 主电路的选型主电路的选型 反激型电路反激型电路：功率小于功率小于100W的电源的电源 正激型电路正激型电路：100

5、W以上功率，且工作环境干以上功率，且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁。扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁。 半桥型电路半桥型电路：功率大于功率大于500W，工作条件较好，工作条件较好，严格限制成本。严格限制成本。 全桥型电路全桥型电路：功率很大，工作条件较好。功率很大，工作条件较好。 推挽型电路：输入电压很低、功率较大。推挽型电路：输入电压很低、功率较大。 7.2.2 硬开关与软开关电路的选择硬开关与软开关电路的选择 一般情况下采用硬开关电路。一般情况下采用硬开关电路。 对效率、体积和重量的要求非常高时，可以采对效率、体积和重量的要求非常高时，可以采用相应的软开关电路。用相

6、应的软开关电路。 软开关是未来电源技术的主流。软开关是未来电源技术的主流。7.2.3正激型、推挽型、半桥型和全桥型电正激型、推挽型、半桥型和全桥型电路的主电路元器件参数的计算路的主电路元器件参数的计算 1变压器的设计变压器的设计 设计的参数：电压比、铁心的形式和尺寸、各绕设计的参数：电压比、铁心的形式和尺寸、各绕组匝数、导体截面积和绕组结构等。组匝数、导体截面积和绕组结构等。依据参数：工作电压、工作电流和工作频率。依据参数：工作电压、工作电流和工作频率。(1)电压比电压比kT ：最大占空比和最低输入电压下，最大占空比和最低输入电压下，输出电压达到上限，考虑电路的压降，输出电输出电压达到上限，考

7、虑电路的压降，输出电压的裕量压的裕量 minmaxmaxiToUDkUU (2)铁心的选取铁心的选取 AP法，计算出法，计算出Ap，在厂家的产品手册中选择在厂家的产品手册中选择合适的铁合适的铁心型号，使其形状和尺寸满足要求。心型号，使其形状和尺寸满足要求。(3)(3)绕组匝数绕组匝数 通常先计算二次匝数通常先计算二次匝数 S SV V为绕组承受的最大伏为绕组承受的最大伏- -秒面积秒面积 其计算可简化为电压和脉冲宽度的乘积其计算可简化为电压和脉冲宽度的乘积 不同的电路不同的电路S SV V不同不同: : 正激；半桥、全桥、推挽正激；半桥、全桥、推挽TewSccPA AfBj kVeSNB A0

8、onTVTSu dt2OSeU TNBA22OSeU TNBA(4) 绕组导体截面绕组导体截面 根据流过绕组的电流值和预先选定的电流密度，根据流过绕组的电流值和预先选定的电流密度，即可计算出即可计算出。(5)变压器设计的其他问题：变压器设计的其他问题：变压器励磁电感和漏感的估算。变压器励磁电感和漏感的估算。 ccIAj2011remA NLl 2输出滤波电路的设计输出滤波电路的设计 滤波电路：单级滤波电路：单级LC滤波电路，二级滤波电路，二级LC滤波电路滤波电路(1) 滤波电感的设计滤波电感的设计 确定电感量：由输出电压、电流和开关频率，以及电感电确定电感量：由输出电压、电流和开关频率，以及电

9、感电流最大纹波值决定。流最大纹波值决定。 正激电路；正激电路； 半桥、全桥、推挽电路半桥、全桥、推挽电路max2iTSpULk fImax4iTSpULkfI确定电感铁芯：确定电感铁芯： AP法确定铁芯法确定铁芯 计算绕组匝数：计算绕组匝数： 计算气隙：计算气隙： 计算电感绕组的导体截面积计算电感绕组的导体截面积 maxmaxmaxpewccLIIA ABk jmaxmaxpLeLINBA20eLA NlL(2)滤波电容的确定滤波电容的确定 最大纹波有效值为最大纹波有效值为: : 输出电压最大纹波有效值输出电压最大纹波有效值: : 滤波电容的阻抗：滤波电容的阻抗： 根据产品手册确定滤波电容：根

10、据产品手册确定滤波电容：/(2 2)pI2 2cpUxI221()cESESxRLC3开关器件及二极管的设计开关器件及二极管的设计 遵循两个原则：遵循两个原则：(1)(1) 电压和电流都不应超出安全工作区电压和电流都不应超出安全工作区(SOA) 。(2)(2) 结温不能超过最大结温结温不能超过最大结温 。设计过程：设计过程：计算出器件工作时的电压和电流峰值。计算出器件工作时的电压和电流峰值。根据根据SOA初步选择器件的电压和电流的大小。初步选择器件的电压和电流的大小。估算的器件发热功率、热阻。估算的器件发热功率、热阻。选择散热器。选择散热器。留有裕量。留有裕量。变压器二次侧整流二极管的设计变压

11、器二次侧整流二极管的设计 二极管的峰值电流二极管的峰值电流 二极管的最大平均电流二极管的最大平均电流 二极管的通态损耗二极管的通态损耗 二极管的开关损耗二极管的开关损耗 散热热阻散热热阻maxmax12pDopIIImaxmaxmaxmaxmax12DoDoDoIDIIIII （正激型电路整流二极管） （正激型电路续流二极管） （半桥型、全桥型、推挽型电路整流二极管）maxDonDDPIU()DSonoffSPeefJMAMthJ CthC ADonDSTTRRPP变压器一次侧开关器件的设计变压器一次侧开关器件的设计 开关器件的峰值电流开关器件的峰值电流 开关器件的最大平均电流开关器件的最大平

12、均电流 开关器件的通态损耗开关器件的通态损耗 开关器件的开关损耗开关器件的开关损耗 散热热阻散热热阻 maxmax1()/2pSopTIIIkmaxmaxmaxmaxmaxmax/1/2SoTSoTIDIkIDIk （正激电路） （半桥型、全桥型、推挽型电路）maxSonSSPIU()SSonoffSPeefJMAMthJ CthCASonSSTTRRPP4主电路设计实例主电路设计实例 技术要求：技术要求： 输入电压：交流三相输入电压：交流三相38010V，50Hz。 输出电压：额定直流输出电压：额定直流220V，调节范围，调节范围160280V 输出电流：最大输出电流：最大10A。 输出纹波

13、：纹波系数不大于输出纹波：纹波系数不大于0.5。 工作温度：工作温度：040。 (1)主电路的选型主电路的选型 根据功率选择根据功率选择全桥型电路；根据输出电压，变压器二全桥型电路；根据输出电压，变压器二次侧应采用全桥型整流电路。次侧应采用全桥型整流电路。 (2)变压器的设计变压器的设计电压比电压比kT ：输入侧最小整流电压、最高占空比、：输入侧最小整流电压、最高占空比、最高最高输出电压输出电压 、二次压降二次压降的计算。的计算。 kT1.4 铁心的选取铁心的选取 ：开关频率、铁芯材料、：开关频率、铁芯材料、B、导体电流密导体电流密度、窗口填充因数的确定；选择铁心型号为度、窗口填充因数的确定；

14、选择铁心型号为EE65EE65 绕组匝数和截面积绕组匝数和截面积：根据电路确定最大伏：根据电路确定最大伏- -秒面积、秒面积、B、铁心截面积，计算铁心截面积，计算N N2 2=37=37匝，匝，N Nl l=52=52匝匝 根据电流值和选定的电流密度确定导体的截面积，根据电流值和选定的电流密度确定导体的截面积， A Ac2c2=2.5mm=2.5mm2 2 ，A Aclcl=1.8mm=1.8mm2 2 (3)输出滤波电路的设计输出滤波电路的设计 滤波电感的设计：滤波电感的设计： 电感量计算电感量计算：确定输出电压最大值确定输出电压最大值、开关频率、开关频率、允许的电感电流最允许的电感电流最大

15、纹波峰峰值大纹波峰峰值 ；L=0.7mH 铁芯设计铁芯设计：确定电感值、电流最大值、电流最大峰值、磁通密度最确定电感值、电流最大值、电流最大峰值、磁通密度最大值、电流密度、填充系数；铁芯材料；大值、电流密度、填充系数；铁芯材料；EE55B：铁心截面积为铁心截面积为3.5710-4m2，窗口面积为，窗口面积为3.6910-4m2 计算绕组匝数计算绕组匝数：确定电感值、电流最大峰值、磁通密度最大值、确定电感值、电流最大峰值、磁通密度最大值、铁铁心截面积；心截面积；N NL L=72=72匝匝 计算气隙计算气隙 ：确定确定铁心截面积、绕组匝数、铁心截面积、绕组匝数、电感值；电感值；l=3.3mm /

16、2 计算绕组的导体截面计算绕组的导体截面：确定电感电流和电流密度；确定电感电流和电流密度；A AcLcL=2.5mm=2.5mm2 2 滤波电容的确定：滤波电容的确定： 由电感电流最大纹波有效值、输出电压最大纹波有效值确由电感电流最大纹波有效值、输出电压最大纹波有效值确定容抗定容抗x xc c1.11.1 ；根据产品手册选择满足条件的电容。；根据产品手册选择满足条件的电容。 (4)开关器件及二极管的设计开关器件及二极管的设计 1)变压器二次侧整流二极管的设计：变压器二次侧整流二极管的设计： 电压值电压值：由一次侧最大整流电压，变比，过电压、浪：由一次侧最大整流电压，变比，过电压、浪涌确定，不小

17、于涌确定，不小于600V。 电流值电流值：峰值电流峰值电流 11A ，最大平均电流最大平均电流5A5A，考虑裕量，考虑裕量额定电流大于额定电流大于1010A A。 损耗损耗：通态损耗：通态损耗10W 10W 、开关损耗、开关损耗20W 20W 散热热阻散热热阻：由损耗功率、结温和环境温度确定，小于：由损耗功率、结温和环境温度确定，小于2.6K/W 2.6K/W 根据产品手册，确定型号。根据产品手册，确定型号。 2)开关器件的设计：开关器件的设计：器件类型：器件类型：电力电力MOSFET 电压值电压值：整流电压峰值，过电压、浪涌确定，不小于：整流电压峰值，过电压、浪涌确定，不小于800V电流值电

18、流值：允许峰值电流大于允许峰值电流大于7.8A7.8A，平均电流大于，平均电流大于3.23.2A A损耗损耗：通态损耗：通态损耗18.15W 18.15W 、开关损耗、开关损耗27.227.2W W 散热热阻散热热阻：由损耗功率、结温和环境温度确定，小于：由损耗功率、结温和环境温度确定，小于2.22.2K/WK/W根据产品手册，确定型号根据产品手册，确定型号7.2.4反激型电路的主电路元器件参数的确定反激型电路的主电路元器件参数的确定 1.变压器的设计变压器的设计 电压比：电压比： 最大占空比（最大占空比（临界时）：临界时）： 变压器一次电流峰值变压器一次电流峰值 ： 变压器一次电感值变压器一

19、次电感值：maxmaxsiToUUkUmaxminToToik UDk UU1maxmax2(1)opTIIkDmaxmax11maxispDULf I根据公式设计变压器：根据公式设计变压器：ApAp法法绕组的匝数：绕组的匝数：气隙：气隙： 21maxmax2pewccL IA ABk j1max1maxpeL INBA2011eA NlL2开关器件的设计开关器件的设计 峰值电流：峰值电流：I Ip1maxp1max 平均值平均值 ：通态损耗通态损耗 ：开关损耗开关损耗 ：散热热阻散热热阻 ：1maxmaxmaxmax2(1)poSTIDDIIkDmaxSonSSPIU()SSonoffSPe

20、efJMAMthJ CthCASonSSTTRRPP输出整流二极管设计：输出整流二极管设计： 峰值电流：峰值电流： kTIp1max平均值：平均值： IDIo 通态损耗通态损耗 ： 开关损耗开关损耗 ： 散热热阻散热热阻 ：DonDDPI U()DSonoffSPeefJMAMthJ CthCADonDSTTRRPP7.3 热设计和结构设计热设计和结构设计 7.3.1 开关器件和二极管的热设计开关器件和二极管的热设计 1开关器件的传热过程开关器件的传热过程 管芯的热量：管芯管壳散热器台面管芯的热量：管芯管壳散热器台面散热器散热面空气环境散热器散热面空气环境 温差、热阻和发热功率间的关系温差、热

21、阻和发热功率间的关系 2结结壳热阻壳热阻RthJ-C的选择原则的选择原则 电流容量大成本高；并联或电路多重化电流容量大成本高；并联或电路多重化成本高、均流成本高、均流 3散热器热阻散热器热阻RthC-A的设计原则的设计原则 增大散热面积体积、重量和成本；强增大散热面积体积、重量和成本；强制风冷成本、可靠性和噪声制风冷成本、可靠性和噪声 ()JAthJ CthC AthTTRRP7.3.2 变压器和电抗器的热设计变压器和电抗器的热设计 损耗损耗 散热散热铁心和绕组的温度铁心和绕组的温度上升上升铁心铁心材料特性、绕组绝缘材料特性改变材料特性、绕组绝缘材料特性改变 (1)铁损：铁损：磁滞损耗和涡流损

22、耗磁滞损耗和涡流损耗 设计方法：设计方法：在给定工作频率、最大工作磁通密度下，在给定工作频率、最大工作磁通密度下，查查单位重量或单位体积的损耗功率值，乘以磁心的重单位重量或单位体积的损耗功率值，乘以磁心的重量或体积。量或体积。 (2)铜损铜损：绕组电阻的损耗绕组电阻的损耗 温升：温升：2CuACpRIpTAh7.3.3 机箱结构的设计机箱结构的设计 考虑因素：考虑因素： 机械强度、重量、散热、屏蔽、美观、标机械强度、重量、散热、屏蔽、美观、标准化和装配、调试、维修是否方便等。准化和装配、调试、维修是否方便等。 7.4 开关电源输入回路的设计开关电源输入回路的设计 1.输入回路的设计输入回路的设

23、计 输入回路结构：电容输入型，全波整流。输入回路结构：电容输入型，全波整流。 设计内容：电容器设计内容：电容器C C1 1 （电容量、纹波、寿（电容量、纹波、寿命）；、整流桥（电流、电压、功率）；输命）；、整流桥（电流、电压、功率）；输出电压范围。出电压范围。 电容器电容器C1：经验公式经验公式 C C1 1=(400=(400600)600)I Idcdc（ F） 输出电压范围输出电压范围：与输入电压、负载、电源侧：与输入电压、负载、电源侧的电阻有关。的电阻有关。电容并联型整流电路电压系数：电容并联型整流电路电压系数： 整流器的电流有效值、峰值：整流器的电流有效值、峰值： 纹波电压、电流：纹

24、波电压、电流： 纹波电压：纹波电压： 电源频率下电源频率下的纹波电流：的纹波电流： 开关频率下开关频率下的纹波电流：的纹波电流： 纹波电流：纹波电流：1dccrItVC22rLacacaIII22rhrmsdcIII2212()()rhrLclrmsIIIKK电容器寿命电容器寿命 ：整流器功耗整流器功耗Prf ： 全波整流桥全波整流桥额定电压额定电压：8565()(85 65)/10024TTCLL43acpFonrfIVTPT2.冲击电流抑制回路的设计冲击电流抑制回路的设计 产生的原因：电容输入型回路，瞬间对电容器产生的原因：电容输入型回路，瞬间对电容器充电。充电。 危害：保护动作，设备过热

25、、损坏等。危害：保护动作，设备过热、损坏等。 串联电阻，抑制在交流输入电流串联电阻，抑制在交流输入电流I Iacac的的5 5倍以下。倍以下。 7.5 开关电源的电磁兼容技术与可靠性设计开关电源的电磁兼容技术与可靠性设计 7.5.1 开关电源的电磁兼容技术开关电源的电磁兼容技术 电磁兼容技术电磁兼容技术：一门新兴的跨学科的综合性应用学科。研究一门新兴的跨学科的综合性应用学科。研究范围几乎涉及所有现代化工业领域。范围几乎涉及所有现代化工业领域。研究的热点研究的热点：电磁干扰源的特性及其传输特性、电磁干扰的：电磁干扰源的特性及其传输特性、电磁干扰的危害效应、电磁干扰的抑制技术、电磁频谱的利用和管理

26、、危害效应、电磁干扰的抑制技术、电磁频谱的利用和管理、电磁兼容性标准与规范、电磁兼容性的测量与试验技术、电磁兼容性标准与规范、电磁兼容性的测量与试验技术、电磁泄漏与静电放电等。电磁泄漏与静电放电等。 电磁兼容电磁兼容（EMC）：指设备）：指设备(分系统、系统分系统、系统)在共同的电磁环在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态境中能一起执行各自功能的共存状态。电磁兼容技术是与管理并重的实用工程学。制定标准和规范电磁兼容技术是与管理并重的实用工程学。制定标准和规范电磁兼容三要素电磁兼容三要素：干扰源：干扰源(骚扰源骚扰源)、耦合通路和敏感体。、耦合通路和敏感体。 7.5.2 开关电源的电磁兼

27、容性开关电源的电磁兼容性 耦合通道耦合通道：共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、：共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合及电磁波耦合。磁场耦合及电磁波耦合。干扰源（内部的）干扰源（内部的）：电压、电流方波；器件：电压、电流方波；器件高频高频开关过程；二极管。开关过程；二极管。开关电源的复杂性开关电源的复杂性： 7.5.3 电磁兼容性研究及解决方法电磁兼容性研究及解决方法 研究方法研究方法：通常实验、测试，分析研究。：通常实验、测试，分析研究。从三个方面解决问题从三个方面解决问题：1）减小搔扰源产生的搔）减小搔扰源产生的搔扰信号；扰信号；2）切断搔扰信号的传播途径；）切断搔扰信号的传播途径；3）增）增强受搔扰体的抗搔扰能力。强受搔扰体的抗搔扰能力。具体方法具体方法：滤波电路，改善：滤波电路，改善APFC性能，减小电性能，减小电流电压的变化率，软开关；屏蔽，改善缝隙泄流电压的变化率，软开关；屏蔽，改善缝隙泄露，接地处理；露，接地