6小时精通反激电源和变压器设计

三种模式的，连续、断续、临界。

DCM和CCM在小信号传递函数方面是极不相同的.实际上,当变换器输入电压VIN 在一个较大范围内发生变化,或是负载电流 IL在较大范围内变化时,必然跨越着两种工作方式.因此反激式转换器要求在DCM / CCM都能稳定工作.但在设计上是比较困难的.通常我们可以以DCM / CCM临界状态作设计基准.,并配以电流模式控制PWM.此法可有效解决DCM时之各种问题,但在 CCM时无消除电路固有的不稳定问题.可用调节控制环增益编离低频段和降低瞬态响应速度来解决CCM时因传递函数 " 右半平面零点 "引起的不稳定.

DCM和CCM在小信号传递函数方面是极不相同的.
DCM / CCM原副边电流波形图
实际上,当变换器输入电压VIN在一个较大范围内发生变化,或是负载电流 IL在较大范围内变化时,必然跨越着两种工作方式.因此反激式转换器要求在DCM / CCM都能稳定工作.但在设计上是比较困难的.通常我们可以以DCM / CCM临界状态作设计基准.,并配以电流模式控制PWM.此法可有效解决DCM时之各种问题,但在CCM时无消除电路固有的不稳定问题.可用调节控制环增益编离低频段和降低瞬态响应速度来解决CCM时因传递函数 " 右半平面零点 "引起的不稳定.

在稳定状态下,磁通增量ΔΦ在ton时的变化必须等于在"toff"时的变化,否则会造成磁芯饱和.
因此,ΔΦ = VIN ton / Np = Vs*toff / Ns  即变压器原边绕组每匝的伏特/秒值必须等于副边绕组每匝伏特/秒值.

DCM状态下在Tr ton期间,整个能量转移波形中具有较高的原边峰值电流,这是因为初级电感值Lp相对较低之故,使Ip急剧升高所造成的负面效应是增加了绕组损耗(winding lose)和输入滤波电容器的涟波电流,从而要求开关晶体管必须具有高电流承载能力,方能安全工作.
在CCM状态中,原边峰值电流较低,但开关晶体在ton状态时有较高的集电极电流值.因此导致开关晶体高功率的消耗.同时为达成CCM,就需要有较高的变压器原边电感值Lp,在变压器磁芯中所储存的残余能量则要求变压器的体积较DCM时要大,而其它系数是相等的.
综上所述,DCM与CCM的变压器在设计时是基本相同的,只是在原边峰值电流的定义有些区别 ( CCM时 Ip = Imax - Imin ).

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反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源。“反激”指的是在开关管接通的情况下，当输入为高电平时输出线路中串联的电感为放电状态；相反，在开关管断开的情况下，当输入为高电平时输出线路中的串联的电感为充电状态。

与之相对的是“正激”式开关电源，当输入为高电平时输出线路中串联的电感为充电状态，相反当输入为高电平时输出线路中的串联的电感为放电状态，以此驱动负载。

反激式开关电源的电路结构比较简单，在小功率电路中应用非常广泛，在15kw光伏逆变器中用到的两个电源都是这种结构。反激式开关电源有三种工作模式：连续模式、非连续模式以及临界模式。在非连续工作模式中，功率管零电流开通，开通损耗小，而副边二极管零电流关断，可以不考虑反向恢复问题，对EMC会有一些好处。

单端反激开关电源采用的是稳定性很好的双环路反馈的控制系统，所以它可以通过开关电源的PWM迅速调整脉冲占空比，从而在每一个周期内对前一个周期的输出电压和低级线圈充磁峰值电流进行有效调节，达到稳定输出电压的目的。这种反馈控制电路的最大特点是：在输进电压和负载电流变化较大时，具有更快的动态响应速度，自动限制负载电流，补偿电路简单。

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6小时精通反激电源和变压器设计。为什么要分4个档案，积分不够阿

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我们应该怎么进行开关电源的设计呢？开关电源的设计其实也没那么容易，尤其对于新入门的人员。万事开头难，熟悉了就好了。下面给大家详解一下开关电源设计的步骤。
　  步骤1 确定开关电源的基本参数
　　① 交流输入电压最小值umin
　　② 交流输入电压最大值umax
　　③ 电网频率Fl  开关频率f
　　④ 输出电压VO(V):已知
　　⑤ 输出功率PO(W):已知
　　⑥ 电源效率η:一般取80%
　　⑦ 损耗分配系数Z:Z表示次级损耗与总损耗的比值,Z=0表示全部损耗发生在初级,Z=1表示发生在次级.一般取Z=0.5
　　步骤2 根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB
　　步骤3 根据u,PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin
　　① 令整流桥的响应时间tc=3ms
　　② 根据u,查处CIN值
　　③ 得到Vimin
　　确定CIN,VImin值
　　u(V) PO(W) 比例系数(μF/W) CIN(μF) VImin(V)
　　固定输入:100/115 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
　　通用输入:85~265 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
　　固定输入:230±35 已知 1 PO ≥240
　　步骤4 根据u,确定VOR、VB
　　① 根据u由表查出VOR、VB值
　　② 由VB值来选择TVS
　　u(V) 初级感应电压VOR(V) 钳位二极管反向击穿电压VB(V)
　　固定输入:100/115 60 90
　　通用输入:85~265 135 200
　　固定输入:230±35 135 200
　　步骤5 根据Vimin和VOR来确定最大占空比Dmax
　　① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON)
　　② 应在u=umin时确定Dmax值,Dmax随u升高而减小
　　步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP,KRP=IR/IP
　　u(V) KRP
　　最小值(连续模式) 最大值(不连续模式)
　　固定输入:100/115 0.4 1
　　通用输入:85~265 0.4 1
　　固定输入:230±35 0.6 1
　　步骤7 确定初级波形的参数
　　① 输入电流的平均值IAVG
　　② 初级峰值电流IP
　　③ 初级脉动电流IR
　　④ 初级有效值电流IRMS
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　　步骤16~步骤22 设定最大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ,进行迭代.
　　① 设置安全边距M,在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm,在110V/115V交流输入时M=1.5mm.使用三重绝缘线时M=0
　　② 最大磁通密度BM=0.2~0.3T
　　若BM>0.3T,需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP,使BM在0.2~0.3T范围之内.如BM<0.2T,就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值.
　　③ 磁芯气隙宽度δ≥0.051mm
　　δ＝40πSJ(NP2/1000LP-1/1000AL)
　　要求δ≥0.051mm,若小于此值,需增大磁芯尺寸或增加NP值.
　　④ 初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2
　　若J>10A/mm2,应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架,使J<10A/mm2.若J<4A/mm2,宜选较细的导线和较小的磁芯骨架,使J>4A/mm2;也可适当增加NP的匝数.
　　⑤ 确定初级绕组最小直径(裸线)DPm(mm)
　　⑥ 确定初级绕组最大外径(带绝缘层)DPM(mm)
　　⑦ 根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带be(mm)  be=d(b-2M)
　　然后计算初级导线外径(带绝缘层)DPM:DPM＝be/NP
　　步骤23 确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm
　　① 次级峰值电流ISP(A) ISP=IP×(NP/NS)
　　② 次级有效值电流ISRMS(A)
　　③ 输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)
　　⑤ 次级导线最小直径(裸线)DSm(mm)
　　⑥ 次级导线最大外径(带绝缘层)DSM(mm)
　　步骤24 确定V(BR)S、V(BR)FB
　　① 次级整流管最大反向峰值电压V(BR)S  V(BR)S＝VO+VImax×NS/NP
　　② 反馈级整流管最大反向峰值电压V(BR)FB V(BR)FB＝VFB+ VImax×NF/NP
　　步骤25 选择钳位二极管和阻塞二极管
　　步骤26 选择输出整流管
　　步骤27 利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT
　　① 滤波电容COUT在105℃、100KHZ时的纹波电流应≥IRI
　　② 要选择等效串连电阻r0很低的电解电容
　　③ 为减少大电流输出时的纹波电流IRI,可将几只滤波电容并联使用,以降低电容的r0值和等效电感L0
　　④ COUT的容量与最大输出电流IOM有关
　　步骤28~29 当输出端的纹波电压超过规定值时,应再增加一级LC滤波器
　　① 滤波电感L=2.2~4.7μH.当IOM<1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠;大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈.
　　② 为减小L上的压降,宜选较大的滤波电感或增大线径.通常L=3.3μH
　　③ 滤波电容C取120μF /35V,要求r0很小
　　步骤30 选择反馈电路中的整流管
　　步骤31 选择反馈滤波电容
　　反馈滤波电容应取0.1μF /50V陶瓷电容器
　　步骤32 选择控制端电容及串连电阻
　　控制端电容一般取47μF /10V,采用普通电解电容即可.与之相串连的电阻可选6.2Ω、1/4W,在不连续模式下可省掉此电阻.
　　步骤33选定反馈电路
　　步骤34选择输入整流桥
　　① 整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2  umax
　　② 设输入有效值电流为IRMS,整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS.计算IRMS公式如下:
　　cosθ为开关电源功率因数,一般为0.5~0.7,可取cosθ＝0.5
　　步骤35 设计完毕
　　在所有的相关参数中,只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内.它们是最大磁通密度BM(要求BM=0.2T~0.3T)、磁芯的气隙宽度δ(要求δ≥0.051mm)、初级电流密度J(规定J=4~10A/mm2).这3个参数在设计的每一步都要检查,确保其在允许的范围之内.

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