利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源講座

第二講

利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源的方法與步驟

下面對(duì)35個(gè)設(shè)計(jì)步驟作詳細(xì)的闡述。

[步驟1]確定開關(guān)電源的基本參數(shù)

（1）交流輸入電壓最小值：Umin，見表1。

（2）交流輸入電壓最大值：Umax，見表1。

表1根據(jù)交流輸入電壓范圍確定Umin、Umax值

表2反饋電路的類型及UFB參數(shù)值

（4）開關(guān)頻率f：100kHz。

（5）輸出電壓UO（V）：已知。

（6）輸出功率PO（W）：已知。

（7）電源效率η：一般取80％，除非有更好的數(shù)

據(jù)可用。

（8）損耗因數(shù)Z：Z代表次級(jí)損耗與總功耗的比

值。典型值為0.5。

[步驟2]根據(jù)輸出要求，選擇反饋電路的類型以及反饋電壓UFB

詳見表2。可從4種反饋電路中選擇一種合適的電路，并確定反饋電壓UFB的值。

[步驟3]根據(jù)U、PO值來確定輸入濾波電容CIN、

直流輸入電壓最小值UImin

（1）令整流橋的響應(yīng)時(shí)間tc=3ms。

（2）根據(jù)輸入電壓，從表3中查出CIN值。

（3）得到UImin的值。

表3確定CIN、UImin的值

（1）根據(jù)輸入電壓，從表4中查出UOR、UB值。

（2）步驟25將用到UB值來選擇瞬變電壓抑制器（TVS）的型號(hào)。

（3）TOPSwitch關(guān)斷且次級(jí)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，

次級(jí)電壓會(huì)感應(yīng)到初級(jí)。感應(yīng)電壓UOR與UI相疊加后，加至內(nèi)部功率開關(guān)管（MOSFET）的漏極上。此時(shí)初級(jí)漏感釋放能量，并在漏極上產(chǎn)生尖峰電壓UL。由于上述不利情況同時(shí)出現(xiàn)，極易損壞芯片，因此需給初級(jí)增加鉗位保護(hù)電路。利用TVS器件來吸收尖峰電壓的瞬間能量，使上述三種電壓之和不超過漏－源擊穿電壓U（BR）DS值。

表4確定UOR、UB值

[步驟5]根據(jù)UImin和UOR來確定最大占空比Dmax

Dmax的計(jì)算公式為：Dmax=×100％（1）

（1）MOSFET的通態(tài)漏－源電壓UDS（ON）=10V。

（2）應(yīng)在U=Umin時(shí)確定Dmax。

若將UOR=135V、UImin=90V、UDS(ON)=10V一并代入式（1），可計(jì)算出Dmax=64.3％，這與典型值67％非常接近。Dmax隨著U的升高而減小，例如當(dāng)U=Umax=265V時(shí)，Dmax=34.6％。

[步驟6]確定初級(jí)脈動(dòng)電流IR與初級(jí)峰值電流IP的比值KRP

定義比例系數(shù)

KRP=IR/IP(2)

（1）當(dāng)U確定之后，KRP有一定的取值范圍。在110V／

115V或?qū)挿秶妷狠斎霑r(shí)，可選KRP=0.4，當(dāng)230V輸入時(shí)，取KRP=0.6。

（2）在整個(gè)迭代過程中，可適當(dāng)增大KRP的值，但不得超過表5中規(guī)定的最大值。

表5確定KRP

計(jì)算下列參數(shù)（電流單位均取A）：

（1）輸入電流的平均值IAVGIAVG=（3）

（2）初級(jí)峰值電流IPIP=（4）

（3）初級(jí)脈動(dòng)電流IR〔可由式（2）求得〕

（4）初級(jí)有效值電流IRMSIRMS=IP（5）

[步驟8]根據(jù)電子數(shù)據(jù)表格和所需IP值，選擇TOPSwitch芯片

（1）所選極限電流最小值ILIMIT(min)應(yīng)滿足

0.9ILIMIT(min)≥IP（6）

（2）若芯片散熱不良，則選功率稍大些的芯片。

[步驟9和步驟10]計(jì)算芯片的結(jié)溫Tj

（1）計(jì)算結(jié)溫TjTj=〔IRMS2×RDS(ON)＋CXT(UImax＋UOR)2f〕·

RθA＋25℃（7）

式中：CXT是漏極結(jié)點(diǎn)的等效電容。括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)代表當(dāng)交流輸入電壓較高時(shí)，由于CXT不斷被充放電而引起的開關(guān)損耗，可用PCXT表示。

（2）計(jì)算過程中若發(fā)現(xiàn)Tj>100℃，應(yīng)選功率較大的TOPSwitch芯片。

[步驟11]驗(yàn)算IP

IP=0.9ILIMIT(min)（8）

（1）輸入新的KRP值且從最小值開始迭代，直到

KRP=1.0。

（2）檢查IP值是否符合要求。

（3）迭代KRP=1.0或IP=0.9ILIMIT（min)。

[步驟12]計(jì)算初級(jí)電感量LPLP=·（9）

式中：LP的單位取μH。

[步驟13]選擇磁芯與骨架并確定相關(guān)參數(shù)

從廠家提供的磁芯數(shù)據(jù)表中查出適合該輸出功率的磁芯型號(hào)，以及有效截面積（SJ）、有效磁路長(zhǎng)度（l）、等效電感（AL）、骨架寬度（b）等參數(shù)值。

[步驟14]設(shè)定初級(jí)層數(shù)d和次級(jí)匝數(shù)NS的初始值

設(shè)定d=2層。當(dāng)U=85V～265V時(shí)取NS=0.6匝；再用迭代法計(jì)算NS；亦可根據(jù)次級(jí)每伏匝數(shù)和UF1值，直接計(jì)算NS值（參見步驟15）。

在步驟15至步驟22中必須確定高頻變壓器的9個(gè)主要參數(shù)：初級(jí)電感量LP，磁芯氣隙寬度δ，初級(jí)匝數(shù)NP，次級(jí)匝數(shù)NS，反饋繞組匝數(shù)NF，初級(jí)裸導(dǎo)線直徑DPm，初級(jí)導(dǎo)線外徑DPM，次級(jí)裸導(dǎo)線直徑DSm和次級(jí)導(dǎo)線外徑DSM。上述參數(shù)中，除LP可直接用公式單獨(dú)計(jì)算外，其余參數(shù)都是互相關(guān)聯(lián)的，因此通常從次級(jí)匝數(shù)開始計(jì)算。另外鑒于反饋繞組上的電流很小（一般小于10mA），對(duì)其線徑要求不嚴(yán)，因此不需計(jì)算導(dǎo)線的內(nèi)、外直徑。

[步驟15]計(jì)算次級(jí)匝數(shù)NS

對(duì)于230V或?qū)挿秶斎霊?yīng)取0.6匝/V，現(xiàn)已知UO=7.5V，考慮到在次級(jí)肖特基整流管上還有0.4V的正向壓降UF1，因此次級(jí)匝數(shù)為(UO＋UF1)×0.6=4.74匝。由于次級(jí)繞組上還存在導(dǎo)線電阻，也會(huì)形成壓降，實(shí)取NS=5匝。下面就以該數(shù)據(jù)作為初始值分別計(jì)算其余7個(gè)參數(shù)。

[步驟16]計(jì)算初級(jí)匝數(shù)NPNP=NS×（10）

將UOR=85V，UO=7.5V，UF1=0.4V，NS=5匝一同代入式（10），計(jì)算出NP=53.8匝。實(shí)取54匝。

[步驟17]計(jì)算反饋繞組匝數(shù)NFNF=NS×（11）

將NS=5匝，UFB=10.4V，UF2=0.7V，UO=7.5V，UF1=0.4V代入式（11），計(jì)算出NF=7.03匝。實(shí)取7匝。

[步驟18]根據(jù)初級(jí)層數(shù)d、骨架寬度b和安全邊距M，計(jì)算有效骨架寬度bE（單位是mm）

bE=d(b－2M)（12）

將d=2，b=8.43mm，M=0代入式（12），求得bE=16.86mm。

再計(jì)算初級(jí)導(dǎo)線的外徑（帶絕緣層）DPMDPM=（13）

將bE=16.86，NP=54匝代入式（13），求得DPM=0.31mm?？鄢崞ず舐銓?dǎo)線的內(nèi)徑DPm=0.26mm。

[步驟19]驗(yàn)證初級(jí)導(dǎo)線的電流密度J是否滿足初級(jí)有效值電流IRMS=0.32A之條件J==（14）

將DPm=0.26mm、IRMS=0.32A代入式（14），得到J=6.06A/mm2。電子數(shù)據(jù)表格中實(shí)取6.17A/mm2。

若J>10A/mm2，應(yīng)選較粗的導(dǎo)線和較大的磁芯骨架，使J<10A/mm2。若J<4A/mm2，應(yīng)選較細(xì)的導(dǎo)線和較小的磁芯骨架，使J>4A/mm2；亦可適當(dāng)增加NP的匝數(shù)。

[步驟20]計(jì)算磁芯中的最大磁通密度BMBM=（15）

將IP=0.74A，LP=623μH，NP=54匝，磁芯有效橫截面積SJ=0.41cm2代入式（15），計(jì)算出BM=0.2082T。電子數(shù)據(jù)表中實(shí)取0.2085T。

需要指出，若BM>0.3T，則需增加磁芯的橫截面積或增加初級(jí)匝數(shù)，使BM在0.2～0.3T范圍之內(nèi)。如BM<0.2T，就應(yīng)選擇較小的磁芯或減小NP值。

[步驟21]計(jì)算磁芯的氣隙寬度δδ=40πSJ（16）

式中δ的單位是mm。將SJ=0.41cm2，NP=54匝，LP=623μH，磁芯不留間隙時(shí)的等效電感AL=2.4μH／匝2代入式（16），計(jì)算出δ=0.22mm。氣隙δ應(yīng)加在磁芯的磁路中心處，要求δ≥0.051mm。若δ小于此值，需增大磁芯尺寸或者增加NP值。

[步驟22]計(jì)算留有氣隙時(shí)磁芯的等效電感ALGALG=（17）

將LP=623μH，NP=54匝，代入式（17），得到ALG=0.214μH／匝2。電子數(shù)據(jù)表中實(shí)取0.215μH／匝2。

需要說明兩點(diǎn)：

（1）ALG值必須在選好NP值以后才能確定。

（2）如上所述，高頻變壓器的設(shè)計(jì)是一個(gè)多次迭

代的過程。例如當(dāng)NP改變后，NS和NF的值也一定會(huì)按一定的比例變化。此外，在改變磁芯尺寸時(shí)，需對(duì)J、BM、δ等參數(shù)重新計(jì)算，以確信它們?nèi)栽诮o定的范圍之內(nèi)。這表明若計(jì)算結(jié)果與電子數(shù)據(jù)表格中的數(shù)值略有差異，也屬正常現(xiàn)象，因二者迭代過程未必完全一致。

[步驟23]確定次級(jí)參數(shù)ISP、ISRMS、IRI、DSM

（1）計(jì)算次級(jí)峰值電流ISP

次級(jí)峰值電流取決于初級(jí)峰值電流以及初、次級(jí)匝數(shù)比，有公式ISP=IP×（18）

將IP=0.74A，NP=54匝，NS=5匝代入式（18），得到ISP=7.99A。

（2）計(jì)算次級(jí)有效值電流ISRMS

次級(jí)紋波電流與峰值電流的比例系數(shù)KRP與初級(jí)完全相同，區(qū)別僅是對(duì)次級(jí)而言，KRP反應(yīng)的是次級(jí)電流在占空比為（1－Dmax）時(shí)的比例系數(shù)。因此，計(jì)算次級(jí)有效值電流ISRMS時(shí)，須用下面公式：ISRMS=ISP（19）

表6選擇鉗位二極管和阻塞二極管

將ISP=7.99A，Dmax=51％，KRP=0.92代入式（19），求得ISRMS=3.35A。電子表格中的計(jì)算結(jié)果為3.36A。

（3）計(jì)算輸出濾波電容上的紋波電流IRIIRI=（20）

將ISRMS=3.36A，IO=2A代入式（20），求得IRI=2.70A。

最后計(jì)算次級(jí)裸導(dǎo)線直徑，有公式DSm=·=1.13（21）

將ISRMS=3.36A，J=5.18A／mm2代入式（21），求得DSm=0.91mm。實(shí)選?0.900mm的公制線規(guī)。需要指出，當(dāng)DSm>0.4mm時(shí)，應(yīng)采用?0.4mm的兩股導(dǎo)線雙線并繞NS匝。與單股粗導(dǎo)線繞制方法相比，雙線并繞能增大初級(jí)繞組的等效橫截面積，改善磁場(chǎng)耦合程度，減小磁場(chǎng)泄漏及漏感。此外，用雙線并繞方式還能減小次級(jí)導(dǎo)線的電阻值，降低功率損耗。

若選用三重絕緣線來繞制初級(jí)繞組，則導(dǎo)線外徑（單位是mm）的計(jì)算公式為：DSM=（22）

將b=8.43mm，M=0，NS=5匝代入式（22），求得DSM=1.69mm?？蛇x導(dǎo)線直徑DSm≥0.91mm而絕緣層外徑DSM≤1.69mm的三重絕緣線。

[步驟24]確定次級(jí)整流管、反饋電路整流管的最高反向峰值電壓：U（BR）S、U（BR）FB

有公式：U（BR）S=UO＋UImax·（23）U（BR）FB=UFB＋UImax·（24）

將UO=7.5V，UFB=10.4V，UImax=375V，NS=5匝，NP=54匝，NF=7匝，分別代入以上兩式，求得U(BR)S=42.2V，U（BR)FB=59V。這與電子表格中給出的結(jié)果完全相同。

[步驟25]選擇鉗位二極管和阻塞二極管

見表6。對(duì)于低功率的TOP200、TOP201、TOP210型單片開關(guān)電源，可選UB=180V的瞬變電壓抑制器。

[步驟26]選擇輸出整流管

輸出整流管宜采用肖特基二極管，此類管子的壓降低、損耗小，能提高電源效率。典型產(chǎn)品有MOTOROLA公司生產(chǎn)的MBR系列。要求管子的最高反向工作電壓URM≥2U（BR）S，〔U（BR）S為整流管實(shí)際承受的最大反向峰值電壓〕；其標(biāo)稱電流IF1≥3IO(IO為最大連續(xù)輸出電流)。

肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過100V，僅適合做低壓、大電流整流用。當(dāng)UO≥30V時(shí)，需用耐壓100V以上的超快恢復(fù)二極管來代替肖特基二極管，此時(shí)電源效率會(huì)略有下降。

[步驟27]利用步驟23得到的IRI，選擇輸出濾波電容COUT

（1）濾波電容在105℃、100kHz時(shí)的紋波電流應(yīng)≥IRI。

（2）要選擇等效串聯(lián)電阻很低的電解電容器。等效串聯(lián)電阻的英文縮寫為ESR，符號(hào)為r0。它表示在電容器的等效電路中，與之相串聯(lián)的代表電容器損耗的等效電阻，簡(jiǎn)稱串聯(lián)損耗電阻。輸出的紋波電壓URI由下式?jīng)Q定：

URI=ISP·r0（25）

式中的ISP由步驟23得到。

（3）為減小大電流輸出時(shí)的紋波電流IRI，可將幾只濾波電容并聯(lián)使用，以降低電容總的r0值和等效電感L0。

（4）COUT的容量與最大輸出電流IOM有關(guān)。例如，當(dāng)UO=5～24V、IOM=1A時(shí)，COUT取330μF/35V；IOM=2A時(shí)COUT應(yīng)取1000μF/35V。

[步驟28～29]當(dāng)輸出端的紋波電壓超過規(guī)定值時(shí)，應(yīng)再增加一級(jí)LC濾波器

（1）濾波電感L=2.2μH～4.7μH。當(dāng)IOM小于

1A時(shí)可采用由非晶合金磁性材料制成的磁珠；大電流時(shí)須選用磁環(huán)繞制而成的扼流圈。

（2）為減小L上的壓降，宜選較大些的濾波電感或增大線徑。通常可取L=3.3μH。

（3）濾波電容C取120μF/35V，要求其r0很小。

[步驟30]選擇反饋電路中的整流管

見表7。表中的URM為整流管最高反向工作電壓，U（BR）FB是由步驟24得到的，要求：

URM≥1.25U（BR）FB（26）

[步驟31]選擇反饋濾波電容

應(yīng)取0.1μF/50V的陶瓷電容器。

表7選擇反饋電路中的整流管

[步驟32]選擇控制端電容及串聯(lián)電阻

控制端電容一般取47μF/10V，普通電解電容即可。與之相串聯(lián)的電阻可選6.2Ω/0.25W。在不連續(xù)模式下可去掉此電阻。

[步驟33]按從表2中選定的那種反饋電路，選取元器件值。

[步驟34]選擇輸入整流橋

（1）整流橋的反向擊穿電壓UBR應(yīng)滿足下式要

求：UBR≥1.25Umax（27）

式中的Umax值從第步驟1得到。

（2）設(shè)輸入有效值電流為IRMS，整流橋額定的有效值電流為IBR，應(yīng)當(dāng)使IBR≥2IRMS。計(jì)算IRMS的公式如下：IRMS=（28）

式中：cosφ為開關(guān)電源的功率因數(shù)，一般為0.5～0.7。若無可信的數(shù)據(jù)，可選cosφ=0.5。

[步驟35]設(shè)計(jì)完畢