开关电源学习笔记

一、 开关电源常用的拓朴结构(常用的有5 种)：

一、 开关电源常用的拓朴结构(常用的有5 种)：

1、 正激电路(常用于低压大电流，功率100 至500W 线路)

电路的工作过程：

当开关S 开通后，变压器绕组N1 两端的电压为上正下负，与其耦合的N2 绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1 处于通态，VD2 为断态，电感L 的电流逐渐增长;当开关S 关断后，电感L 通过VD2 续流，VD1 关断。S 关断后变压器的激磁电流经N3 绕组和VD3 流回电源。

变压器的磁心复位：

开关S 开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S 关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S 关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。

正激的理想波形为：

变压器的磁心复位时间为：

Tist=N3*Ton/N1

输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：

Uo/Ui=N2*Ton/N1*T

磁心复位过程:

2、 反激电路(常用于100W 以下)

反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。

电路的工作过程：

当开关S 开通后，N1 电压上正下负，N2 电压下正上负，所以VD 处于断态，N1 绕组的电流线性增长，

电感储能增加;

当开关S 关断后，N1 绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2 绕组和VD 向输出端释放。S关断后的电压为：us=Ui+N1*Uo/N2

反激电路的工作模式：

电流连续模式：当S 开通时，N2 绕组中的电流尚未下降到零，输出电压关系：Uo/Ui=N2*ton/N1*toff

电流断续模式：S 开通前，N2 绕组中的电流已经下降到零，输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，因此反激电路不应工作于负载开路状态。

反激电路的理想化波形：

3、 半桥电路

电路工作过程：

S1 与S2 交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2 的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud 的平均值，也就改变了输出电压Uo。当 S1 导通时，二极管VD1 处于通态;S2 导通时，二极管VD2 处于通态; 当两个开关都关断时，变压器绕组N1 中的电流为零，VD1 和VD2 都处于通态，各分担一半的电流。S1 或S2 导通时电感L 的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L 的电流逐渐下降。S1 和S2 断态时承受的峰值电压均为Ui。由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。

半桥电路的理想化波形:

4、 全桥电路

电路工作过程：

全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui 的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。

全桥电路的理想化波形：

5、 推挽电路：

电路工作过程：

推挽电路中两个开关S1 和S2 交替导通，在绕组N1 和N’1 两端分别形成相位相反的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。S1 导通时，二极管VD1 处于通态，电感L 的电流逐渐上升;S2 导通时，二极管VD2 处于通态，电感L 的电流也逐渐上升; 当两个开关都关断时，VD1 和VD2 都处于通态，各分担一半的电流。S1 和S2 断态时承受的峰值电压均为2 倍Ui; S1 和S2 同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。

二、保险丝的选择：

1、计算开关电源的最大输入电流Imax=Po/(Vin(min)* η*PF),经验上通常取Imax 的1.5 至3 倍。

2、选择保险丝的工作电压:(一般标准电压额定值系列为32V、125V、250V、600V。).如果电源输入电压为115VAC,那么FUAE 的工作额定电压为125VAC;如果电源输入电压为115VAC/230VAC,那么FUSE 的工作额定电压为250VAC.

3、选择FUSE 的类型:1.慢熔,2.普通,3.快熔。

4、FUSE 的安装方式两种:1.PIG-TAIL，2.CLIP。

三、突波吸收器的选择：

突波吸收器的保护原理：

突波吸收器在预备状态时，相对于受保护的电子元件而言，具有很高的阻抗(数兆欧姆) 而且不会影响原设计电路的特性。但当瞬间突波电压出现(超过突波吸收器的崩溃电压时)，该突波吸收器的阻抗会变低(仅有几个欧姆) 并造成线路短路，也因此电子产品或较昂贵的元件受到保护。一般常用07D471K(最大允许输入电压AC300V，DC385V;钳位电压775V，钳位电流10A;额定功耗0.25W)，通常取输入电压的1.4 倍即可。

四、 热敏电阻的选择：

电源启动的瞬间，由于输入端的滤波电容(即一次侧滤波电容)短路，导致输入电流很大，虽然时间很短暂，但也可能对电源产生伤害，所以必须在输入端滤波电容之前加装一个热敏电阻，以限制开机瞬间输入电流在规格之内(115V/30A，230V/60A)，但因热敏电阻也会消耗功率，所以不可放太大的阻值(否则会影响效率)热敏电阻包括正温度系数PTC 和负温度系数NTC，以及临界温度热敏电阻CTR 三种。PTC：阻值随温度的升高而增加;NTC：阻值随温度的升高而减少。一般使用SCK053(3A/5Ω)，若输入端滤波电容使用较大的值，则必须考虑将热敏电阻的阻值变大(一般使用在大瓦数的电源上)

五、 整流二极管的选择：

初级整流管的选择：

最大输入电流确定最大输出整流电流Io(通常取最大输入电流的2 倍以上);确定反向峰值电压Vrrm(一般取最大输入电压的3 倍左右)。通常选用一般类型的整流二极管就可以了(输入在1A 以下的通常选用1N4007)。

次级整流管的选择：

对于次级输出整流部分，一般要选用快恢复、超快恢复以及肖特基等反向恢复时间较短的类型二极管。最大输出电流必须大于客户所提供的输出电流;Vrrm=Vo*Np/Ns。作为高频AC-DC 或DC-DC 开关变换器输出整流用的功率二极管，应当具有正向压降小、反向漏电流小、反向恢复时间短等特点。

六、 开关管的选择

a) 确定Vdss(一般取整流后最高输入电压的2 倍以上);

b) 确定Id(一般取最大输入电流的2 倍以上);

c) Rdon 越小，耗散功率越小;

d) Vgs(开启电压，15V 为最佳)。

e) Qg 值反映了MOS 驱动的电流需求。Qg 值越大，则就要求较大电流的芯片驱动它。因MOS 是电压驱动器件，驱动电流几乎可以忽略，最好是越小越好。

七、 高频变压器的设计方法

面积乘积(AP)法：先求出磁芯窗口面积Aw 与磁芯有效面积截Ae 的乘积AP(AP=Aw X Ae,称磁芯面积乘积)。反激变压器需要要加气隙。

a) 变压器的视在功率Pt 计算：(随线路结构不同而选用不同的计算公式)

Pt=UoIo(1+1/η)---------------------------普通线路结构

Pt=UoIo(1.414+1/η)-------------------单端正激线路结构

Pt=UoIo[(1+1/η)x1.414]---------------推挽线路结构

(效率由自己定，一般开关电源的效率在70%-90%之间，功率小的效率定小一些，而功率大的则可以定大一些)

b) 计算AP 值：

Ap=[Pt*104/(K0KfBwFsKj)]1/(1+x)

式中：

K0---------------------------窗口使用系数(K0<1)K0 主要与线径、绕组数有关，一般典型值取0.4。

Kf------------------波形系数，有效值与平均值之比，正弦波时为4.44，方波时为4。

Bw-----------------工作磁通密度(T)，镍锌铁氧体材质铁芯的工作磁通密度一般取0.26 至0.3T。通常设计的铁氧体变压器一般功率不大时，大约为0.20--0.25T。功率比较大时，要取小一点，0.15--0.20 左右

Fs------------------开关工作频率(HZ)，一般取75KHZ 以下，开关频率可依据控制IC 的Rt 和Ct 值确定，通常为Fs=K/Rt*Ct(K 为一常数，不同的控制IC，K 取值不同。)

Kj------------------电流密度比例系数

各种磁芯结构常数表

铁芯种类 Kj(允许温升

25。C)

Kj( 允许温升

50。C)

X

一般罐型磁芯 433 632 -0.17

铁粉磁芯 403 590 -0.12

金属叠片铁芯 366 534 -0.12

C 型铁芯 323 468 -0.14

单线圈 395 569 -0.14

带绕铁芯 250 365 -0.13

c) 根据AP 值，选择相近型号磁芯：(通常AP 值加10%裕度选用)

d) 计算原边绕组匝数Np：

Np=Vp * 104/(KfFsBwAe) 或 NP=Vp*Ton/(Ae*Bw)

式中：

Vp--------------------变压器原边最小输入电压。

Ae--------------------根据所选型号磁芯，查其数据手册得知。

D---------------------占空比，最大以典型值0.5 为参考，而实际中常取0.35，正激的电源，占空比0.35-0.4

比较合适。

e) 计算原边绕组电流Ip：

Ip=P0/(η*Vp)

Ipeak=Ip/[(1-0.5*Krp)*D] (Krp 一般取0.5 或0.6)

f) 计算电流密度J(A/CM2)：

J=KjAPx (电流密度J 一般取4~10A/mm2)

g) 计算原边绕组裸线面积Axp(CM2)：

Axp=Ip/J

根据此值查询AWG 导线规格表，可得知原边绕组线径。

AWG 导线规格表：

AWG 线大小 Axp CM2 10-3 直径 CM AWG 线大小Axp CM2 10-3 直径 CM

10 52.61 0.267 28 0.8046 0.0366

11 41.68 0.238 29 0.647 0.033

12 33.08 0.213 30 0.5067 0.0294

13 26.26 0.19 31 0.4013 0.0267

14 20.82 0.171 32 0.3242 0.0241

15 16.51 0.153 33 0.2554 0.0216

16 13.07 0.137 34 0.2011 0.0191

17 10.39 0.122 35 0.1589 0.017

18 8.228 0.109 36 0.1266 0.0152

19 6.531 0.098 37 0.1026 0.014

20 5.188 0.0879 38 0.08107 0.0124

21 4.116 0.0785 39 0.06207 0.0109

22 3.243 0.0701 40 0.04869 0.0096

23 2.588 0.0632 41 0.03972 0.00863

24 2.047 0.0566 42 0.03166 0.00762

25 1.623 0.0505 43 0.02452 0.00685

26 1.28 0.0452 44 0.0202 0.00635

27 1.021 0.0409

g) 算副边绕组匝数Ns：

Ns=Np*Vs/Vp (VS 为副边输出电压，等于Uo 加上输出整流二极管的压降)

或Ns=(Vs+Vd)*(1-D)*Np/(Vp*D)

i) 计算副边绕组裸线面积Axs(CM2)：

Axs=Io/J

根据此值查询AWG 导线规格表，可得知副边绕组线径。

j) 计算次级副绕级匝数Ns1：

Ns/Ns1=Vs/Vs1

k) 计算初级感量：

Lp=η*(Vp*D)2/(2*Po*F) (理论上初级电感是越大越好)

或Lp=Ui*AE*Np2/La (Ui=2500+/-25%(初始磁导率)，La 为平均磁路长度)

或Lp=AL*Np2

八、 级输出LC 滤波器的设计：

1.根据电感的能量储存和释放公式：

WL=(1/2)*L*I2=P0*Ton;

C=Po*Ton/2*(Vmax-Vmin);