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小于75W反激变换器的设计连载-3(关键设计部分)

导读: 基本的反激变换器原理图如下所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率<75W~的开关电源应用场合,反激变换器(Flyback Converter)是最常用的一种拓扑结构(Topology)。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点。

我以我们的IC进行设计分析说明:

基本的反激变换器原理图如下所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率<75W~的开关电源应用场合,反激变换器(Flyback Converter)是最常用的一种拓扑结构(Topology)。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点;接下来我将电源的关键部分的设计进行说明!

前面已经弄清楚后,我们再来进行围绕开关MOS的成本及可靠性方面;计算变压器的关键参数,搞定FLY的主架构的设计!

我的IC工作频率67KHZ

(我们的IC有多种频率可选67KHZ/100KHZ/130KHZ等)

目前的设计选择为各厂家通用的工作频率67KHZ;采用PWM+PFM控制模式,系统有较好的效率;较好的待机功耗等!

在设计之前,我先来回复客户常问我的一个问题:开关电源为什么常常选择67K或者100K左右范围作为开关频率,有的人会说IC厂家都是生产这样的IC,当然这也有原因。每个电源的开关频率会决定什么?对于多年的IC及各厂家的IC应用研究,我提出我的看法:

我们应该从这几个方面去思考原因:

A.有人说频率高了EMC不好过,一般来说是这样的,但这不是必然,

EMC与频率确实有关系,但不是必然。

高频率的IC的EMI我有经常指导客户搞定它!

B.先来想象我们的电源开关频率提高了,直接带来的影响是什么?

注意:当然是MOS开关损耗增大,因为单位时间开关次数增多了。

如果频率减小了会带来什么?开关损耗是减小了,但是我们的储能器件单周期提供的能量就要增多,势必需要的变压器磁性要更大,储能电感要更大了。

选取在67K到100K左右就是一个比较合适的经验折中,

电源就是在折中合理化折中进行。

目前市场上的大多数IC的功能及引脚定义都相同;通用的工作频率及引脚定义为产品的通用设计带来便利;提高了设计和同类产品的转换机率!
C.假如在特殊情形下,输入电压比较低,开关损耗已经很小了,还在乎这点开关损耗吗,那我们就可以提高开关频率,起到减小磁性器件体积的目的。
D.我们使用过PI的电源IC;在未来追求系统成本,其开关频率为132KHZ;可使用小的变压器结构优化电源体积;

注意:开关电源的频率的选择怎么做都可以,只要能合理使用。能给你的设计带来高的设计可靠性及通用性;降低设计开发成本是最关键的!

对于开关电源高频方面的细节可参考文章:

《未来高频电源的设计思考!》

进入正题

FLY-开关电源的设计我们经常会工作在下图示的状态;DCM与CCM模式;

FLY-反激变换器有两种运行模式:电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)。两种模式各有优缺点,相对而言,DCM 模式具有更好的开关特性,次级整流二极管零电流关断,因此不存在CCM 模式的二极管反向恢复的问题。

此外,同功率等级下,由于DCM模式的变压器比CCM 模式存储的能量少,故DCM 模式的变压器尺寸更小。但是,相比较CCM 模式而言,DCM 模式使得初级电流的RMS 增大,这将会增大MOS 管的导通损耗,同时会增加次级输出电容的电流应力。

因此,CCM 模式常被推荐使用在低压大电流输出的场合,DCM 模式常被推荐使用在高压-小电流输出的场合。

对CCM 模式反激变换器而言,输入到输出的电压增益仅仅由占空比决定。而DCM 模式反激变换器,输入到输出的电压增益是由占空比和负载条件同时决定的,这使得DCM模式的电路设计变得更复杂。但是,如果我们在DCM 模式与CCM模式的临界处(BCM 模式)、输入电压最低(Vinmin_DC)、满载条件下,设计DCM 模式反激变换器,就可以使问题变得简单化。于是,无论反激变换器工作于CCM 模式,还是DCM 模式,我们都可以按照CCM模式进行设计。

我的设计 迭代计算结果如下:

进行参数设计时;几个关键参数参考下图

MOS 管关断时,输入电压Vin 与次级反射电压nVo 共同叠加在MOS的DS 两端。最大占空比Dmax 确定后,反射电压Vor(即nVo)、次级整流二极管承受的最大电压VD 以及MOS 管承受的最大电压Vdsmax,可由下式得到:

通过上面公式,可知:

Dmax 取值越小,Vor 越小,进而MOS 管的应力越小,

然而,次级整流管的电压应力却增大。

因此,我们应当在保证MOS 管的足够裕量的条件下,尽可能增大Dmax,来降低次级整流管的电压应力。

Dmax的取值,应当保证Vdsmax不超过MOS管耐压等级的80%;同时,对于峰值电流模式控制的反激变换器,CCM 模式条件下,当占空比超过0.5 时,会发生次谐波震荡。综合考虑,对于耐压值为650V的MOS管,设计中,Dmax 不超过0.5 为宜。迭代计算相关数据请参考我的EXCEL计算表格!

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