反激式开关电源设计详解(上)

1、电子科技大学杨忠孝（下）开关电源的拓扑结构分类开关电源的拓扑结构分类 10W以内常用以内常用RCC(自激振荡自激振荡)拓扑方式拓扑方式 10W-100W以内常用反激式拓扑（以内常用反激式拓扑（75W以以上电源有上电源有PF值要求）值要求） 100W-300W 正激、双管反激、准谐振正激、双管反激、准谐振 300W-500W 准谐振、双管正激、半桥等准谐振、双管正激、半桥等 500W-2000W 双管正激、半桥、全桥双管正激、半桥、全桥 2000W以上以上 全桥全桥反激开关电源特点反激开关电源特点 在开关电源市场中在开关电源市场中,400W以下的电源大约占了市以下的电源大约占了市场的场的70-8

2、0%,而其中反激式电源又占大部分而其中反激式电源又占大部分,几乎几乎常见的消费类产品全是反激式电源。常见的消费类产品全是反激式电源。 优点优点：成本低：成本低,外围元件少，低耗能，适用于宽电外围元件少，低耗能，适用于宽电 压范围输入压范围输入,可多组输出可多组输出. 缺点缺点：输出纹波比较大。：输出纹波比较大。(输出加低内阻滤波电容输出加低内阻滤波电容或加或加LC噪声滤波器可以改善噪声滤波器可以改善) 今天以自行车充电器为例，详细讲解反激开关电今天以自行车充电器为例，详细讲解反激开关电源的设计流程及元器件的选择方法。源的设计流程及元器件的选择方法。隔离开关电源框架结构图隔离开关电源框架结构图E

3、MIEMI整流滤波整流滤波变压器变压器次级整流滤波次级整流滤波开关器件开关器件PWM PWM 控制控制ICIC隔离器件隔离器件采样反馈采样反馈输出输出高压区域高压区域低压区域低压区域电源电路原理图电源电路原理图初级侧部分初级侧部分第一个安规元件第一个安规元件保险管保险管 作用：作用： 安全防护。在电源出现异常时，保护核心器件不安全防护。在电源出现异常时，保护核心器件不受到损坏。受到损坏。 技术参数：技术参数： 额定电压额定电压V V、额定电流、额定电流I I、熔断时间、熔断时间I2RTI2RT。 分类：分类： 快断、慢断、常规快断、慢断、常规保险管的参数计算方法保险管的参数计算方法 0.60.

4、6为不带功率因数校正的功率因数估值为不带功率因数校正的功率因数估值 PoPo输出功率输出功率 效率（设计的评估值）效率（设计的评估值） Vinmin Vinmin 最小的输入电压最小的输入电压 2 2为经验值，在实际应用中，保险管的取值范围是理为经验值，在实际应用中，保险管的取值范围是理论值的论值的1.531.53倍。倍。 0.98 0.98 功率因数功率因数值（值（PFPF）6 . 02min01inVPF98. 02min01inVPF关于功率因数关于功率因数 大部分用电设备，其工作电压直接取自交流电网。大部分用电设备，其工作电压直接取自交流电网。所以电网中会有许多家用电器、工业电子设备等

5、所以电网中会有许多家用电器、工业电子设备等非线性负载，这些用电器在使用过程中会使电网非线性负载，这些用电器在使用过程中会使电网产生谐波电压和电流。没有采取功率因数校正技产生谐波电压和电流。没有采取功率因数校正技术的术的AC-DC整流电路，输入电流波形呈尖脉冲状。整流电路，输入电流波形呈尖脉冲状。交流网侧功率因数只有交流网侧功率因数只有0.50.7，电流的总谐波畸，电流的总谐波畸变（变（THD）很大，可超过）很大，可超过100%。采用功率因数校。采用功率因数校正技术后，功率因数值为正技术后，功率因数值为0.999时，时，THD约为约为3%。为了防止电网的谐波污染，或限制电子设备向电为了防止电网的

6、谐波污染，或限制电子设备向电网发射谐波电流，国际上已经制定了许多电磁兼网发射谐波电流，国际上已经制定了许多电磁兼容标准，如容标准，如IEEE519、IEC1000-3-2等。等。相关知识关于功率因数关于功率因数 功率因数的校正功率因数的校正(PFC)主要有两种方法：无源功率主要有两种方法：无源功率因数校正和有源功率因数校正。因数校正和有源功率因数校正。 无源功率因数校正利用线性电感器和电容器组成滤波无源功率因数校正利用线性电感器和电容器组成滤波器来提高功率因数、降低谐波分量。这种方法简单、器来提高功率因数、降低谐波分量。这种方法简单、经济，在小功率中可以取得好的效果。但是，在较大经济，在小功率

7、中可以取得好的效果。但是，在较大功率的供电电源中，大量的能量必须被这种滤波器储功率的供电电源中，大量的能量必须被这种滤波器储存和管理，因此需要大电感器和电容器，这样体积和存和管理，因此需要大电感器和电容器，这样体积和重量就比较大也不太经济，而且功率因数的提高和谐重量就比较大也不太经济，而且功率因数的提高和谐波的抑制也不能达到理想的效果。波的抑制也不能达到理想的效果。 有源功率因数校正是使用所谓的有源电流控制功率因数有源功率因数校正是使用所谓的有源电流控制功率因数的校正方法，可以迫使输入电流跟随供电的正弦电压变的校正方法，可以迫使输入电流跟随供电的正弦电压变化。这种功率因数校正有体积小、重量轻、

8、功率因数可化。这种功率因数校正有体积小、重量轻、功率因数可接近接近1等优点。等优点。相关知识NTCNTC电阻电阻的的作用作用 NTCNTC（负温度系数）电阻，是以氧化锰等为主要（负温度系数）电阻，是以氧化锰等为主要原料制造的精细半导体电子陶瓷元件。电阻值随原料制造的精细半导体电子陶瓷元件。电阻值随温度升高而降低且呈现非线性变化。利用这一特温度升高而降低且呈现非线性变化。利用这一特性，在电路的输入端串联一个性，在电路的输入端串联一个负温度负温度系数热敏电系数热敏电阻增加线路的阻抗，这样可以有效的抑制电路开阻增加线路的阻抗，这样可以有效的抑制电路开机时产生的浪涌电压形成的浪涌电流。当电路进机时产生

9、的浪涌电压形成的浪涌电流。当电路进入稳态工作时，由于线路中的持续工作电流引起入稳态工作时，由于线路中的持续工作电流引起NTCNTC发热，使得电阻器的电阻值变得很小，对线发热，使得电阻器的电阻值变得很小，对线路的影响可以完全忽略。路的影响可以完全忽略。 公式中：公式中： 1. Rt 1. Rt 是热敏电阻在是热敏电阻在T1T1温度下的阻值；温度下的阻值； 2. Rn 2. Rn是热敏电阻在常温是热敏电阻在常温TnTn下的标称阻值；下的标称阻值； 3. B 3. B是材质参数是材质参数( (常用范围常用范围2000K6000K)2000K6000K)； 4. exp 4. exp是以自然数是以自然

10、数 e e 为底的指数（为底的指数（ e =2.71828 e =2.71828 ）；）； 5. T1 5. T1和和TnTn为绝对温度为绝对温度K K（即开尔文温度），（即开尔文温度），K K度度=273.15(=273.15(绝对温度绝对温度)+)+摄氏度；摄氏度；)11(1nTTBnteRRNTCNTC的的选择依据选择依据压敏电阻的作用压敏电阻的作用 压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间时，压敏电性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间时，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现

11、阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。对后级电路的保护。 主要主要作用作用：过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖：过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等。峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等。 主要主要参数参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。等。 压敏电阻的响应时间为压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比级，比空气放电管快，比TVS管（瞬间抑制二极管）稍慢一些，一般情况下用于电子管（瞬间抑制二极管）稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护，其

12、响应速度可以满足电路要求。电路的过电压保护，其响应速度可以满足电路要求。 选取压敏电阻的方法选取压敏电阻的方法压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持续电流，在用作过压保护时必须考虑到这一点。压敏电阻的选用，一续电流，在用作过压保护时必须考虑到这一点。压敏电阻的选用，一般选择标称压敏电压般选择标称压敏电压V1mAV1mA和通流容量两个参数。和通流容量两个参数。a 为电路电压波动系数，一般取值为电路电压波动系数，一般取值1.2；Vrms 为交流输入电压有效值；为交流输入电压有效值；b 为压敏电阻误差，一般取值为压敏电

13、阻误差，一般取值0.85；C 为元件的老化系数，一般取值为元件的老化系数，一般取值0.9；2 为交流状态下要考虑峰峰值；为交流状态下要考虑峰峰值；V1mA 为压敏电阻电压实际取值近似值；为压敏电阻电压实际取值近似值；通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25情况下，对于规情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过过 10时的最大脉冲电流值。时的最大脉冲电流值。 VVbcaVVcbVVamArmsmArms042.48829 . 085. 02202 . 1

14、11，选取压敏电阻的方法选取压敏电阻的方法 结合前面所述，来看一下本电路中压敏电结合前面所述，来看一下本电路中压敏电阻的型号所对应的相关参数。阻的型号所对应的相关参数。EMIEMI电路电路 X电容，共模电感（也叫共模扼流圈电容，共模电感（也叫共模扼流圈 ），），Y电容电容 根据根据IEC 60384-14,安规电容安规电容器分器分为为X电容电容及及Y电容电容: 1. X电容电容是指是指跨与跨与L-N之之间间的的电电容器容器, 2. Y电电容是指跨容是指跨与与L-G/N-G之之间间的的电电容器容器. 安规电容之安规电容之-X X电容电容 X电容多选用耐纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容。这种电容多选

15、用耐纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容。这种类型的电容类型的电容,体积较大体积较大,但其允许瞬间充放电的电流也很大但其允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。而其内阻相应较小。 X电容容值选取是电容容值选取是F级，此时必须在级，此时必须在X电容的两端并联一电容的两端并联一个安全电阻个安全电阻,用于防止电源线拔掉时用于防止电源线拔掉时,由于该电容被充电荷由于该电容被充电荷没泄放而致电源线插头长时间带电。没泄放而致电源线插头长时间带电。 安全标准规定安全标准规定,当正当正在工作之中的机器电源线被拔掉时在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内在两秒钟内,电源线插电源线插头两端带电的电压头两端带电

16、的电压(或对地电位或对地电位)必须小于原来额定工作电必须小于原来额定工作电压的压的30%。 作为安全电容之一的作为安全电容之一的X电容电容,也要求必须取得安全检测机构也要求必须取得安全检测机构的认证。的认证。X电容一般都标有安全认证标志和耐压电容一般都标有安全认证标志和耐压AC250V或或AC275V字样字样,但其真正的直流耐压高达但其真正的直流耐压高达2000V以上以上,使用使用的时候不要随意使用标称耐压的时候不要随意使用标称耐压AC250V或者或者DC400V之类之类的普通电容来代用。的普通电容来代用。安规电容之安规电容之-X X电容电容 X电容主要用来抑制差模干扰电容主要用来抑制差模干扰

17、 安全等级安全等级 峰值脉冲电压峰值脉冲电压 等级（等级（IEC664） X1 2.5kV 4.0kV X2 2.5kV X3 1.2kV X电容没有具体的计算公式，前期选择都是依据经验值，电容没有具体的计算公式，前期选择都是依据经验值，后期在实际测试中，根据测试结果做适当的调整。后期在实际测试中，根据测试结果做适当的调整。 经验：若电路采用两级经验：若电路采用两级EMI，则前级选择，则前级选择0.47uF,后级采用后级采用0.1uF电容。若为单级电容。若为单级EMI，则选择，则选择0.47uF电容。（电容电容。（电容的容量大小跟电源功率没有直接关系）的容量大小跟电源功率没有直接关系）安规电容

18、之安规电容之-Y Y电容电容 单相交流电源输入分为单相交流电源输入分为3个端子：火线（个端子：火线（L）/零线（零线（N）/地线（地线（G）。在火线和地线之间以及在零线和地线之间并）。在火线和地线之间以及在零线和地线之间并接的电容接的电容, 这两个这两个Y电容连接的位置比较关键电容连接的位置比较关键,必须要符合必须要符合相关安全标准相关安全标准, 以防引起电子设备漏电或机壳带电以防引起电子设备漏电或机壳带电,容易危容易危及人身安全及生命。它们都属于安全电容及人身安全及生命。它们都属于安全电容,从而要求电容从而要求电容值不能偏大值不能偏大,而耐压必须较高。而耐压必须较高。 Y电容主要用于抑制共模

19、干扰电容主要用于抑制共模干扰 Y电容的存在使得开关电源有一项漏电流的电性能指标。电容的存在使得开关电源有一项漏电流的电性能指标。 工作在亚热带的机器工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流不能超过要求对地漏电电流不能超过0.7mA;工作在温带的机器工作在温带的机器,要求对地漏电电流不能超过要求对地漏电电流不能超过0.35mA。因此因此,Y电容的总容量一般都不能超过电容的总容量一般都不能超过4700PF（472）。）。Y Y电容的作用及取值经验电容的作用及取值经验 Y Y电容底下又分为电容底下又分为Y1, Y2, Y3Y1, Y2, Y3，Y4, Y4, 主要差主要差別別在于在于: : 1. Y1耐

20、高压大于耐高压大于8 kV,属于双重绝缘或加强绝缘属于双重绝缘或加强绝缘|额定电压范围额定电压范围 250V 2. Y2耐高压大于耐高压大于5 kV,属于基本绝缘或附加绝缘属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围额定电压范围150V 250V 3. Y3耐高压耐高压 2.5KV 5KV 属于基本绝缘或附加绝缘属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压额定电压范围范围150V 250V 4. Y4耐高压大于耐高压大于2.5 kV属于基本绝缘或附加绝缘属于基本绝缘或附加绝缘|额定电压范围额定电压范围NP2 | NP2 otherwise 匝比的计算匝比的计算 n=Dmax/(1-Dmax)/Vout+Vf 次级线圈的计算次级线圈的计算 NS=NP/n 辅助绕组线圈的计算辅助绕组线圈的计算Nfb=(Vf+Vfb/Vout+Vf)*NS 反推验证反推验证Dmax Dmax=n*(Vout+Vf)/2*Vinmin+n*(Vout+Vf) 气隙的计算气隙的计算 Lg=4*3.14*10-7*NP2*Ae/Lp 为什么要开气隙？为什么要开气隙？ 反激变换器中，变压器起着电感和变压器的反激变换器中，变压器起着电感和变压器的双重作用，因而变压器磁芯处于直流偏磁状态，双重作用，因而变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防磁饱和因此要加入气隙。为防磁饱和因此要加