一步一步精通单端反激式开关电源设计

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一步一步精通单端反激式开关电源设计

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系统应用需求
交流输入最小电压：VACMIN，单位 V
交流输入最大电压：VACMAX，单位 V
交流输入电压频率：FL，单位 HZ
开关频率：FS，单位 KHZ
输出电压：Vo，单位 V
输出电流：IO，单位 A
电源效率：η
负载调整率：SI
损耗分配因子：Z
空载功率损耗：P_NO_LOAD，单位 MW
输出纹波电压：VRIPPLE，单位 MV

步骤 1_ 确定应用需求
● 交流输入最小电压：VACMIN
● 交流输入最大电压：VACMAX
输入（VAC ）  VACMIN（V）  VACMAX（V）
宽电压范围  85  265
230 或 115 倍压整流  195  265
自定义  自定义  自定义
● 交流输入电压频率：FL
50HZ 或者 60HZ，详见世界电网频率表。本例设计取 50HZ
● 开关频率：FS
大于 20KHZ，常用 50KHZ~200KHZ，由 MOSFET 芯片决定。例 TOP246Y 开关频率频率为
66KHZ/132KHZ, 本例设计取 132KHZ
● 输出电压：VO，本例设计取 32V
● 输出电流：IO，本例设计取 1.9A
● 电源效率：η
低电压（5V 以下）输出时，效率可取 75%；
中等电压（5V 到 12V 之间）输出时，可选 80%；
高压（12V 以上）输出时，效率可取 85%；
可参考 MOSFET 芯片厂商数据手册建议，如果没有更好的参考依据，可以使用 80%
本例设计取 85%
● 负载调整率：SI
参考产品规格书，TOP246Y 提供 4 重负载调整率：±10%，±2.5%，±1%，±0.2%
本例取±0.2%
● 损耗分配因子：Z ，如果 Z = 1，说明所有损耗都在次级侧。如果 Z = 0，说明所有损
耗都在初级侧。如果没有更好的参考数据，可以使用 Z = 0.5。
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●空载功率损耗：P_NO_LOAD ，可参考 MOSFET 芯片厂商数据手册建议，本例取 520MW
●输出纹波电压：VRIPPLE ，小于 200MV

步骤 3_ 确定最小和最大直流输入电压 VMIN 和 和 VMAX ，并基于输
和 入电压和 PO  选择输入存储电容 CIN  的容量
3.1 、选择输入存储电容 CIN  的容量
⑴ 输入滤波电容器容量的选择（简单估算）
为降低整流滤波器的输出纹波，输入滤波电容器的容量 CI 必须选的合适。令每单位输
出功率(W)所需输入滤波电容器容量(μF)的比例系数为 k，当交流电压 u=85～265V 时，应
取 k=(2～3)μF／W；当交流电压 u=230V(1±15％)时，应取 k=1μF／W。输入滤波电容器
容量的选择方法详见附表 l，Po 为开关电源的输出功率。
⑵输入滤波电容器容量的选择（准确计算）
准确计算输入滤波电容器容量的方法输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。
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CI 值选得过低，会使 UImin 值大大降低，而输入脉动电压 UR 却升高。但 CI 值取得过高，
会增加电容器成本，而且对于提高 UImin 值和降低脉动电压的效果并不明显。
公式 1： √2 ∗ ?min ∗ sinwt = UImin
→ wt = arcsin (
?????
√?∗???? )
→ t =
?????? (
?????
√?∗???? )
?∗?∗??
→ tc =
?
?∗??
−
?????? (
?????
√?∗???? )
?∗?∗??
⑴
公式 2：电容放电过程中放掉的能量
Q = 1/2*CIN*U ?
=1/2*CIN ∗ ?√2 ∗ ?min?
? -1/2*CIN ∗ (??min) ?
=1/2*CIN【（√2 ∗ ?min）
? -（??min） ? 】
又 Q = PIN*(
?
?∗??
− tc) = PO/η*(
?
?∗??
− tc)
所以： Q = 1/2*CIN【（√2 ∗ ?min）
? -（??min） ? 】= PO/η*(
?
?∗??
− tc)
→ CIN =
???∗(
?
?∗?? ???)
?∗[（√?∗????）
? ?(?????) ? ] ⑵
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① 对于正常输入电压范围：输入电压为 AC195-265V，那么最低输入电压为 AC195V，在该
输入电压的情况下，整流后输出电压峰值一般为 195*√2=275V，输入电容的选择一般根
据整流后最低输出电压来计算，如果我们考虑整流后最低输出电压为 240V，则有
由 195×1.414sinwt=240，可以计算 wt=61,可以计算出在单个脉动周期内，
Tc =
?
?∗??
−
??
???? = 1.6ms,放电时间为 8.4ms；
C =
?∗??∗?.????
?.??∗[（√?∗???）
? ???? ? ] = 64 * 10 ?? F = 64UF 》= 1*PO
② 对于宽输入电压范围：输入电压为 AC85-265V，那么最低输入电压为 AC85V，在该输入
电压的情况下，整流后输出电压峰值一般为 85*√2=120V，输入电容的选择一般根据整
流后最低输出电压来计算，如果我们考虑整流后最低输出电压为 90V，则有
由 85×1.414sinwt=90，可以计算 wt=49,可以计算出在单个脉动周期内，
Tc =
?
?∗??
−
??
???? = 2.3ms,放电时间为 7.7ms；
C =
?∗??∗?.????
?.??∗[（√?∗??）
? ??? ? ] = 171 * 10 ?? F = 171UF ∈（2~3）*PO
综上：设计合理。
一般设计时，设定桥式整流管连续导通时间 tc = 3ms，则放电时间为 7ms；
3.2 、确定最小和最大直流输入电压 VMIN 和 和 VMAX
考虑到铝电解电容 20%的容量误差和容量会随着时间推移逐渐减少，根据上面计算再综
合考虑选择合适的电容容量后，就可以确定最小和最大直流输入电压 VMIN 和 VMAX 了。
同理由以上公式 2 变形公式得：
质量第一，客户至上；诚信敬业，求实创新；团队合作，平等友爱
●最小直流输入电压 VMIN =  ? (2 ∗ ?????? ? )−
?∗??∗(
?
?∗?? ???)
?∗???
其中所用单位分别为伏特、瓦特、赫兹、秒及法拉第。
●计算最大直流输入电压 VMAX = √2 ∗ VACMAX

步骤 3_ 确定最小和最大直流输入电压 VMIN 和 和 VMAX ，并基于输
和 入电压和 PO  选择输入存储电容 CIN  的容量
3.1 、选择输入存储电容 CIN  的容量
⑴ 输入滤波电容器容量的选择（简单估算）
为降低整流滤波器的输出纹波，输入滤波电容器的容量 CI 必须选的合适。令每单位输
出功率(W)所需输入滤波电容器容量(μF)的比例系数为 k，当交流电压 u=85～265V 时，应
取 k=(2～3)μF／W；当交流电压 u=230V(1±15％)时，应取 k=1μF／W。输入滤波电容器
容量的选择方法详见附表 l，Po 为开关电源的输出功率

确定最小和最大直流输入电压 VMIN 和 和 VMAX
考虑到铝电解电容 20%的容量误差和容量会随着时间推移逐渐减少，根据上面计算再综
合考虑选择合适的电容容量后，就可以确定最小和最大直流输入电压 VMIN 和 VMAX 了。

步骤 4_ 输入整流桥的选择
50HZ 交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压 u1，再通过输入滤波电容得到直流高
压 U1。在理想情况下，整流桥的导通角本应为 180 度（导通范围从 0 度~180 度），但由于
滤波电容器 C 的作用，仅在接近交流峰值电压处的很短时间内，才有输入电流经过整流桥对
C 充电。50HZ 交流电的半周期时间为 10ms，整流桥的导通时间 tc≈3ms，其导通角仅为 54
度（导通范围是 35 度~90 度）。因此，整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整流滤波电路
的原理如图 1(a)所示，整流滤波电压及整流电流的波形分别如图 1(b)和 1(c)所示。

整流桥的主要参数有反向峰值电压 UBR(V),正向压降 UF(V),平均整流电流 Id(A),正向峰值
浪涌电流 IFSM(A),最大反向漏电流 IR(uA)。整流桥的反向击穿电压 UBR 应满足下式要求：
UBR≥1.25∗ √2 ∗ ? ??? （1）
举例说明，当交流输入电压范围是 85~132V 时，? ??? =132V，由式（1）计算出 UBR=233.3V,
可选耐压 400V 的成品整流桥。需要指出，假如用 4 只硅整流管来构成整流桥，整流管的耐
压值还应进一步提高。譬如可选 1N4007(1A/1000V)、1N5408(3A/1000V)型塑封整流管。这是
因为此类管子的价格低廉，且按照耐压值“宁高勿低”的原则，能提高整流桥的安全性与可
靠性。

步骤 5_ 确定反射的输出电压 VOR  以及钳位稳压管电压 VCLO
5.1 VOR  的确定
当开关管断开，变压器能量传输时，次级线圈电压通过匝比反射到初级的电压即为反射
电压。

5.2  确定 RCD+Z  钳位的大小