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十一选五有喝吗: 发个自己写的反激式变换器的设计资料,有详细计算过程(一)
阅读: 14660 |  回复: 47 楼层直达

2013/07/19 14:36:10
1
rj44444[版主]
电源币:2080 | 积分:34 主题帖:49 | 回复帖:851
LV9
军长

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如题,这是我去年做完第一个反激式电源后写的,内部有各个元器件选取的详细计算公式。关于RCD钳位的,我目前还没有非常好的计算方法,采取的是实验为主的方法,所以文中红字部分,大家有好的,可以补充修改。文字图片都是我亲手编辑,如有不当之处,大家勿喷。

帖子会分为五个帖子,这个是第一个,希望多多指教~!

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发个自己写的反激式变换器的设计资料,有详细计算过程(二)
发个自己写的反激式变换器的设计资料,有详细计算过程(三)

发个自己写的反激式变换器的设计资料,有详细计算过程(四)


开关电源的出现使得使用使用市电的设备告别了笨重的变压器和需要使用庞大散热器的线性稳压器,电子产品做到了更小的体积、更轻的重量和更高的效率。但是,开关电源使 得设计门槛大大提高,它要求设计者在电路和磁学上必须有深刻的理解。介绍开关电源的书 籍很多,但是大都过于繁杂,学习和消化完一本书需要大量的时间精力,而即便完成了这一 艰巨的任务,设计者也不见得具备独立设计一个完整电源系统的能力。

这里笔者根据自己所学知识和实际经验谈下反激式开关电源的设计方法,并结合实例变 压器设计的详细计算过程。由于笔者接触开关电源时间不长,文中疏漏与不当之处难免,还 望读者批评指正。

1. 基本反激变换器原理

在讨论具体的设计步骤之前,我们有必要介绍一下反激式开关电源的原理。对于反激式 开关电源,在一个工作周期中,电源输入端先把能量存储在储能元件(通常是电感)中,然 后储能元件再将能量传递给负载。这好比银行的自动取款系统,银行工作人员每天在某一时 间段向自动取款机内部充入一定数目的钱(相当于电源输入端向储能元件存储能量),一天 中剩下的时间里,银行用户从取款机中将钱取走(相当于负载从储能元件中获取能量)。在 银行工作人员向取款机充钱的时候,用户不能从取款机中取钱;客户正在取钱的阶段,银行 工作人员也不会向存款机里面充钱。这就是反激式开关电源的特点,任何时刻,负载不能直 接从输入电源处获取能量,能量总是以储能元件为媒介在输入电源和负载间进行传递的。

下面来看图一,这是反激式变换器的最基本形式,也就是我们常说的 buck-boost(或者 flyback)拓扑。当开关闭合时,输入电源加在电感 L 上,流过电感的电流线性上升,上升 斜率就是输入电压与电感量的比值(在这里以及以下讨论中,我们忽略了开关管的压降,但 是不忽略二极管的压降,这将更符合后面关于离线式反激变换器的实际情况),如下式:

 

在之一过程中,电能转换成磁场能量储存在电感内,电感量一定时,时间越长流过电感的电 流越大,电感中储存的能量也就越大,电感内部储能大小如下式:

 

开关闭合期间,二极管 D 是反偏的,输入到输出端没有通路,电源输入端和电感都不向负 载提供能量。

 

当开关断开时,电感需要通过维持电流的恒定来阻止磁通量的突变,但此时电源输入端 和电感之间没有通路,所以电感两端的电压必须反向(原来的上正下负变为上负下正),使 得二极管 D 正偏导通,储存在电感内部的能量一方面传递给负载,另一方面装换成电场能 储存在输出电容 Co 当中。电感中的电流线性下降,下降斜率为电感上电压与电感量的比值,而此时电感上的电压等于输出电压加上二极管的正向压降,如下式:

 

以上讨论了一个开关周期的情况,为了电路能够持续稳定工作,必需满足一定的条件, 我们仍然以银行自动取款系统做比喻。试想,如果一天过去后,取款机里面的钱还有剩余, 那么第二天银行工作人员就必需减少充入的钱的数目,否则,取款机就肯定放不下这么多钱。 电路中也是一样,如果开关关断的时候,电感内部的能量没有完全转移出去(被负载消耗或 者存入输出电容中),那么接下来开关闭合的时间 Ton 就必需减小,否则周而复始的话,电 感中的电流会不断积累,最终使得电感饱和,换一句话说,为了系统稳定工作,必须满足的 条件就是开关闭合期间电感的电流增加量必须等于开关断开器件电流的减小量,即下式:

 

以一个完整的周期分析,对上面的式子化简得到:

从上面的式子可以看出,系统维持稳定工作的条件就是开关闭合时电感上的电压与开 关闭合时间的乘积等于开关关断时电感上的电压与开关关断时间的乘积相等,这也就是伏秒 数数守恒,这两个乘积其中的一个叫做电感的伏秒数。从上面的一系列式子可以看出,伏秒 数描述了电感中电流的变化量,实际上对应着电感中储存的能够被利用的能量。

下面给出基本反激变换器的电感电流波形。如图二所示,以一个周期为例,从 A 点到 C 点间,开关闭合,电感电流线性上升,在此期间电感电流即开关管电流;从 C 点到 B 点, 开关断开,电感电流线性下降,在此期间电感电流即二极管电流。图中可以看出,流过电感 的平均电流等于电感的峰值电流和谷值电流的中间值。而流过开关管和二极管的平均电流可以由下式确定:

 

这里引出了占空比 D 的概念,即开关开启时间与开关周期的比值。从伏秒数守恒的关 系式我们可以得到基本反激变换器中占空比的计算式如下:

从图一中,我们看到电源输入端只与开关管相连,所以输入电流即开关管电流,也就 是开关闭合时的电感电流;输出端只与二极管和电容相连,又因为电容器不可能流过直流, 所以平均输出电流等于平均二级管电流,即有下式成立: 

 

最后我们给出一个很重要的定义,那就是纹波系数,在不同的书籍和文献中,纹波系 数的定义有一定的区别,为了方便我们接下来的讨论和计算,在这里将纹波系数 KRF 定为电 感电流变化量的一半比上电感平均电流,即:

 

图二电路中,整个开关周期内,流过电感的电流始终不为零。当输出电流减小时,相 应的电感平均电流也减小,如果开关周期、电感量以及输入输出电压不变的话,电感中电流 的变化量保持不变,那么,就可能出现电感中变化的电流大小等于或者大于平均电流两倍的 情况。这个时候,每一个周期内,开关闭合时,电感电流从零开始上升,开关断开后,电感 电流会下降到零。也就是说,此时的 KRF 等于或者大于 1,这就是我们说的临界工作模式和 断续工作模式。相对应的电感电流始终不为零的情况就是连续工作模式。

 

在反激式变换器中,电感量取值越大, 电流的变化量(纹波电流)就越小,在相同输出电流情况下,越不容易进入断续模式;反之, 电感量取值越小,纹波电流越大,在相同的输出电流情况下,越容易进入断续工作模式。

通常在设计过程中,我们可以设定在某一输出电流(即输出功率)时变换器进入临界 模式,电流大于设定值时就进入连续工作模式,小于这一值时进入断续工作模式(即 KRF在 0 到 1 之间)。也可以将变换器设计为一直工作在临界模式或者断续模式(即 KRF 大于等于 1),特别是在单级 PFC 反激式变换器以及准谐振反激式变换器中,这种方式应用较多。 本文以下的讨论均以连续模式为例。

上面讨论了基本反激变换器满足的基本关系式,接下来一节我们开始讨论隔离输出的反 激变换器原理。

标签 反激 变换器
2013/07/19 16:51:43
2
chenxiaolong29
电源币:6 | 积分:0 主题帖:13 | 回复帖:50
LV4
连长
值得好好学习学习。
2013/07/19 20:26:00
3
邓真兵
电源币:25 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:220
LV6
团长

不得不顶啊

2013/10/17 09:45:47
24
雪花梅花
电源币:81 | 积分:0 主题帖:2 | 回复帖:333
LV6
团长
顶一个
2013/07/19 22:36:52
4
sqs
电源币:62 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:7
LV1
士兵
顶一个,先收藏,慢慢消化
2013/07/20 09:05:50
5
qq289108070
电源币:0 | 积分:0 主题帖:2 | 回复帖:32
LV3
排长
mark~~
2013/07/20 15:52:06
6
SYMQWE
电源币:50 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:9
LV1
士兵
好贴
2013/07/21 11:31:46
7
守稻者0
电源币:25 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:4
LV1
士兵

我们可以设定在某一输出电流(即输出功率)时变换器进入临界 模式,电流大于设定值时就进入连续工作模式,小于这一值时进入断续工作模式(即 KRF在 0 到 1 之间)

楼主这句话还是没理解,我觉得应该是在电流大于设定值时进入断续工作模式,电流小于时进入连续模式

2013/07/21 12:22:46
9
rj44444[版主]
电源币:2080 | 积分:34 主题帖:49 | 回复帖:851
LV9
军长
那应该是理解错了。输入输出电压不变,电感电流的上升和下降斜率就一定了。电感的平均电流随着输出电流增大而增大,品均电流越大,就越不容易进入断续模式(平均电流越大,变化的电流就越难超过平均电流)
2013/07/21 14:46:02
10
守稻者0
电源币:25 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:4
LV1
士兵
哦,对头,是我自己理解错了,我没考虑到输出电流的增加也会影响平均电流的的增加,楼主真是个好人啊,谢谢楼主开导,,,,
2013/10/19 21:37:20
27
feifan958
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:3
LV1
士兵
请教:假设开关电源输出额定电流10A,一般降额用到5A,甚至是2A,那岂不是容易工作在断续模式下吗,而一般都说DCDC工作在连续模式下比较好,这怎么解释啊
2013/10/17 11:21:35
25
xfxy_008
电源币:0 | 积分:0 主题帖:1 | 回复帖:2
LV1
士兵

断续工作模式时是变化的电流的一半大于平均电流吧,此时KRF的值应该是大于1的吧?

2014/11/03 14:22:10
40
li297890758
电源币:73 | 积分:0 主题帖:5 | 回复帖:134
LV5
营长

是啊,楼主括号里的好像前后矛盾?

2013/10/22 13:26:38
28
gowithwind
电源币:249 | 积分:0 主题帖:2 | 回复帖:28
LV3
排长

谢谢LZ的分享。简单易懂

CCM: 1/2IL<Io

DCM:   1/2IL>Io

临界模式:1/2IL=Io

2013/07/21 12:18:04
8
735575630
电源币:194 | 积分:0 主题帖:6 | 回复帖:107
LV5
营长
LZ,能否把五个帖子的资料分享下,直接上传,大家需要的就下载??这样看的话,有点不太方便,谢谢咯
2013/07/21 15:13:32
11
rj44444[版主]
电源币:2080 | 积分:34 主题帖:49 | 回复帖:851
LV9
军长

这个帖子有的,你找一下,我不住地版主放到哪个板块了

2013/07/21 17:27:00
12
735575630
电源币:194 | 积分:0 主题帖:6 | 回复帖:107
LV5
营长
你的五个帖子都找了,没有附件哦................能否重新上来些
2013/07/22 11:04:43
13
49547754
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:30
LV3
排长
先顶一下,慢慢 来学习
2013/07/22 12:05:25
14
wjh_power
电源币:1 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:10
LV2
班长
谢谢楼主分享!学习了
2013/07/22 14:02:42
15
chlxs
电源币:3 | 积分:0 主题帖:38 | 回复帖:107
LV5
营长

非常好 学习学习了

2013/07/23 21:54:41
16
zhenxiang
电源币:1249 | 积分:17 主题帖:164 | 回复帖:1534
LV10
司令
贴的这段貌似在哪个地方看到过
2013/07/24 08:17:44
17
rj44444[版主]
电源币:2080 | 积分:34 主题帖:49 | 回复帖:851
LV9
军长
在某论坛传过
2013/07/26 07:26:07
18
frank12280
电源币:162 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:39
LV4
连长
楼主大公无私,收藏了
2013/08/02 21:33:57
19
hzwlz
电源币:39 | 积分:0 主题帖:15 | 回复帖:115
LV5
营长

楼主精神可嘉

2013/08/06 14:04:51
20
苏磊
电源币:20 | 积分:0 主题帖:20 | 回复帖:19
LV3
排长

真的是好东西。。不顶没理由啊。。。。

2013/09/17 01:40:12
21
wywa123
电源币:0 | 积分:0 主题帖:1 | 回复帖:5
LV1
士兵
谢谢LZ,收藏了慢慢看
2013/09/18 16:35:58
22
abccba
电源币:1000 | 积分:5 主题帖:28 | 回复帖:558
LV9
军长
顶一下。
2013/09/21 01:28:00
23
tbzy
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:3
LV1
士兵
菜鸟,来了解一下,谢谢楼主
2013/10/18 11:12:39
26
灰狼行天下
电源币:2 | 积分:0 主题帖:3 | 回复帖:40
LV3
排长
楼主的比喻还不错
2013/10/23 21:46:46
29
mnrichard
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
楼主,请问你那个输入端共模滤波的电感和电容还有整流桥是怎么选的,参数如何计算啊
2013/10/24 16:33:14
30
wxyh1980
电源币:2 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:5
LV1
士兵
值得好好学习.
2013/10/28 16:34:03
31
hedafeng0113
电源币:19 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:15
LV2
班长
赞!
2013/12/03 10:18:21
32
真心搞不懂
电源币:4 | 积分:0 主题帖:6 | 回复帖:4
LV2
班长
讲得的确比书本干瘪瘪的公式易懂多,值得学习
2013/12/07 19:01:07
33
LYG81
电源币:0 | 积分:0 主题帖:3 | 回复帖:8
LV2
班长
好好学习 天天向上
2013/12/09 16:43:01
34
LYJUN0813
电源币:87 | 积分:0 主题帖:4 | 回复帖:4
LV2
班长

这个要好好的学习下··   

2013/12/16 23:43:58
35
dyfei
电源币:12 | 积分:0 主题帖:1 | 回复帖:7
LV2
班长
请问这个是什么公式呢?没看懂。

没有一个运算符号???

2013/12/30 23:38:16
36
haizhiyin
电源币:37 | 积分:0 主题帖:4 | 回复帖:61
LV4
连长
看到了《精通开关电源》这本书的身影了
2014/01/01 21:37:10
37
yuan563
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
谢谢楼主分享这麽好的资料
2014/07/23 15:15:25
38
paierjiudian
电源币:95 | 积分:5 主题帖:1 | 回复帖:27
LV3
排长
我顶?。。。?!
2014/07/27 20:24:41
39
Dong东
电源币:237 | 积分:6 主题帖:18 | 回复帖:824
LV8
师长
好东西
2016/02/03 20:37:21
41
amilysam
电源币:10 | 积分:0 主题帖:6 | 回复帖:5
LV2
班长
看得出来写得很用心!
2016/02/04 09:45:40
42
zhjyuanji
电源币:0 | 积分:3 主题帖:10 | 回复帖:7
LV3
排长
学习  不回复居然不能看
2016/02/18 20:54:34
43
skyroom123
电源币:116 | 积分:0 主题帖:4 | 回复帖:40
LV3
排长
必须学习!
2016/03/16 16:40:42
44
LPQQQ
电源币:0 | 积分:0 主题帖:1 | 回复帖:136
LV5
营长
必须学习!
2017/08/25 17:07:42
45
woniu0222
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:1
LV1
士兵
2017/11/16 11:47:27
46
micheal_23
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:11
LV2
班长

谢谢分享

学习啦

2017/11/16 17:01:56
47
shanghaiweiji
电源币:0 | 积分:1 主题帖:20 | 回复帖:332
LV7
旅长
2017/11/17 11:03:18
48
bobery
电源币:570 | 积分:0 主题帖:60 | 回复帖:325
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