经验谈写给新手的反激变压器KRP详解.docx
- 文档编号:11318715
- 上传时间:2023-02-26
- 格式:DOCX
- 页数:9
- 大小:130.06KB
经验谈写给新手的反激变压器KRP详解.docx
《经验谈写给新手的反激变压器KRP详解.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《经验谈写给新手的反激变压器KRP详解.docx(9页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
经验谈写给新手的反激变压器KRP详解
Documentserialnumber【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
经验谈写给新手的反激变压器KRP详解
反激变压器的优点自是不必多说,很多新手都通过反激电源的制作来熟悉电源设计,目前网络上关于反激变压器的学习资料五花八门且比较零散,本文就将对反激变压器的设计进行从头到尾的梳理,将零散的知识进行整合,并配上相应的分析,帮助大家尽快掌握。
今天将进行一个较为完整的分析,KRP作为反激变压器中的灵魂参数,该如何对其进行取舍,值得我们深入探讨。
首先先对文章当中的将要提到的一些名词进行解释。
工作模式:
即电感电流工作状态,一般分DCM、CCM、BCM三种(定性分析)。
KRP:
描述电感电流工作状态的一个量(定量计算);
KRP定义:
KRP的意义:
只要原边电感电流处于连续状态,都称之为CCM模式。
而深度CCM模式(较小纹波电流)与浅度CCM模式(较大纹波电流)相比较,电感量相差好几倍,而浅度CCM模式与BCM、DCM模式的各种性能、特点可能更为相似。
显然需要一个合适的参数来描述所有电感电流的工作状态。
通过设置KRP值,可以把变压器的电感电流状态与磁性材料、环路特性等紧密联系起来。
我们也可以更加合理的评估产品设计方案,例如:
KRP较大时(特别是DCM模式),磁芯损耗一般较大(NP较小),气隙较小(无气隙要求,仅满足LP值),LP较小,漏感会较大,纹波电流较大(电流有效值较高);
KRP较小时(特别是深度CCM模式),磁芯损耗一般较小(NP较大),气隙较大(有气隙要求,平衡直流磁通),LP较大,漏感会较小,纹波电流较小(电流有效值较低);
注:
KRP较小时,气隙也是可以做到较小,但这需要更大的磁芯和技巧;
KRP较大时,磁芯损耗也是可以做的较小,但这同样需要更大的磁芯和技巧;
这里说一点题外话,大部分人通常认为,相同磁芯、开关频率,DMAX,DCM模式比CCM模式下的输出功率更大;其实这是不完全对的(至少不符合实际,因为需要限制DMAX,导致空载容易异常),原因在于DCM模式下磁芯损耗会超出你的想象(电应力也会如此);DCM模式下,如果想大幅度降低磁芯损耗,唯一的方法是增大NP,而过大的NP会与LP形成现实冲突(DCM模式下,LP一般较小),造成磁芯气隙超出你的想象(漏感也会如此);有没有方法解决这种现实矛盾答案应该是肯定的,即选择合适的磁芯结构,如长宽比小且AE大的磁芯(PQ、POT系列),或许会比长宽比大且AE小的磁芯(EER、EEL系列)更加有优势。
(补充:
在DCM模式下,如果限制DMAX,则会比CCM模式下输出更大的功率)
KRP较大时,增大DMAX可以在一定程度上降低原边的纹波电流及有效电流值,但是次级的电流应力会更加恶劣,这种方法(增大/减小DMAX)只适合平衡初次级的电压、电流应力,应该不是一种很好的设计手段。
KRP较大时,空载启动困难,特别是低压大电流输出,且空载无跳频(宽范围AC输入时尤其如此,如,特别是超低压输入);
KRP较小时,开关损耗较大,特别是高压小电流输出,且开关频率较高(窄范围AC输入时尤其如此,如,特别是超高压输入);
注:
非低压大电流产品(如12V5A),KRP较大时,DMAX不能设计的过小,否则空载也会启动困难,且空载无跳频(宽范围AC输入时尤其如此);
超低压输入产品(如12V输入),KRP应该较小,且开关频率也不能过高,否则LP过小(漏感过大)无法正常工作(或者效率极低)。
KRP较大时,动态响应较快,环路补偿比较容易(特别是采用电流模式控制);
KRP较小时,动态响应较慢,环路补偿相对困难(特别是采用电压模式控制);
KRP较大时,电感电流斜率较急,CS采样端对噪声影响不明显;
KRP较小时,电感电流斜率较缓,CS采样端可能会受到噪声影响;
注:
电流模式芯片通常会比电压模式控制芯片的性能更加优异,但并非所有情况下都是如此。
如果输入电压较高,输出功率较小,电流模式芯片可能无法检测CS电压,低压大电流输出产品在空载时也会出现这种情况(再次强调,宽范围AC输入,低压大电流输出〈甚至非大电流输出产品〉,如果KRP较大,DMAX又较小,空载极有可能出问题,或许轻载降频、提高VCC都不一定有效,但是采用某些电压模式控制芯片,可能会避免此问题)。
低压输入,输出功率很大时,电感电流斜率较缓,CS采样电压(电阻/互感器)可能很容易受到干扰,如果负载变化较大,也可能会因此CS端采样异常。
也不是所有电流模式芯片均比电压模式芯片优秀,这需要综合考虑各种因素,包括外围电路的复杂程度。
超高压输入时,KRP应该设置较大(最好是QR模式),开关损耗会较低;
超低压输入时,KRP应该设置较小(最好是深度CCM模式),漏感会较低;
KRP选取法则
电感纹波电流如何设置,主要取决于输入电压范围、输入电压幅度、输出电压幅度、输出电流范围、漏感百分比(气隙)四个量。
1、宽范围输入时,尽量选择深度CCM模式;
注:
在所有输入电压范围内,功率器件的电压电流应力会有一个较好的折中;
2、输入电压非常低时(如12/24V),请选择深度CCM模式(KRP≤;
注:
此时如何降低漏感摆在第一位,深度CCM模式下,自然会获得最小的漏感量;
3、输入电压非常高时(如400VDC),请选择DCM模式(或者QR模式);
注:
此时如何降低开关损耗摆在第一位,在QR模式下,自然会获得最小开关损耗;
4、输出电压非常高时,请选择DCM模式(或者QR模式);
注:
此时如何降低开关损耗摆在第一位,在QR模式下,自然会获得最小开关损耗;
5、输出电流非常大时,尽量选择CCM模式,KRP值视输入电压范围及幅值决定;
注:
CCM模式下,峰值电流、纹波电流、有效电流都会相对较小,且尽量避免采用单个肖特基二极管去处理高有效值电流,也要想办法去避免空载问题。
6、小电流输出,尽量采用DCM(QR)模式。
注:
功率小,效率较高。
7、如果要求最小漏感设计,尽量选择CCM模式,KRP尽可能的小。
8、采用较小磁芯输出较大功率的前提条件是:
较小DMAX、较高电感纹波电流(有效电流),空载问题好解决
9、KRP小于时,电感电流峰值、有效值,不再跟随KRP值的减小而明显减小,但是Bdc及气隙上升非常明显;
KRP小于时,电感电流纹波电流将会出现过小而导致CS采样困难,且饱和的10电感电流上升不明显;
10、如果设置BCM模式下的LP=1,其他工作条件不变,则:
KRP=,LP=1
KRP=,LP=2
KRP=,LP=3
KRP=,LP=4
KRP=,LP=5
我们可以研究不同KRP值下,磁芯的Bdc、Lg的变化趋势,甚至可以更换不同的磁芯来满足电气参数设计(KRP、DMAX、LP均不会发生改变)。
如此一来,KRP(电气参数)将会与磁芯参数形成紧密的联系,方便量化分析。
通过不同的电感纹波电流,来让我们知道变换器到底需要什么样的磁芯设计参数(包括磁芯选型)。
而不是先来设计变压器参数,然后自动生成KRP等电气参数。
简单的理解,就是先设计好电气参数,如初次级的电压、电流应力,评估各种损耗温升,考虑到PWM芯片、MOS、二极管各种的特点(先选好),让反激变换器工作在最佳的工作状态。
根据这个最佳的电气参数,我们来设计变压器参数,如NP、NS、气隙等等,最后通过更换磁芯或是微调变压器的结构设计,让整个变换器都工作在最合理的状态。
如果开头就进行变压器设计,会导致我们产品优化的余地较小(不得不重新计算或是申请样品)。
不过,不得不承认,每一个人的学习经历往往很不同,属于自己的最佳设计流程,应该是自己最熟练、最能理解的哪一种。
那是一种积累、一种磨练,千万不要轻易去否定。
这里提供的方法只是其中一种,诸多技巧中,如果觉得好就用,不好就不用。
KRP的别名:
KRF、r,它们之间存在换算关系,建议参考相关资料;
如果设置BCM模式下的LP=1,其他工作条件不变,则:
(磁芯、匝数比不变,否则无法完成对此;NP的变化不会改变DMAX、电压、电流应力,NP主要是影响磁芯参数设计)
释疑:
1、KRP从下降至时,峰值电流的下降非常明显,当KRP从向下降时,峰值电流的下降幅度非常有限;
2、KRP从下降至时,纹波电流的下降一直非常明显,与LP的变化趋势刚好相反(I=V*TON/LP);
3、KRP从下降至时,有效电流的下降非常明显,当KRP从向下降时,有效电流的下降幅度非常有限;
4、KRP从下降至时,BDC急剧增大,气隙的大小与磁性元件的设计有关,由于对比中的NP会有所不同,所以气隙、BDC、BAC的变化趋势仅仅是起有限的参考作用;
关于BDC、BAC的变化趋势(二者是由哪些量决定的)分析见《开关电源手册》,其中有详细描述:
①外加的伏秒值、匝数、磁芯面积决定了交变磁通量(BAC);
VTon(n)+Np+Ae→△B
②直流平均电流值、匝数、磁路长度决定了直流磁场强度(BDC);
Idc+Np+Le(lg)→Hdc
③加气隙和不加气隙,磁芯饱和磁感应强度是一样的;但加气隙的磁芯能显着减小剩磁Br,另外,加气隙可以承受大的多的直流电流;
5、KRP从下降至时,由于BDC、LP急剧增大,所以NP也会较大,间接导致导致BAC较小。
6、KRP从下降至时,LP的变化范围非常有意思,注意是整数倍,这为我们评估变压器的设计提供了极好的参考依据,我们可以一开始就设计在临界模式,并且将临界LP作为参考数值。
需要明白,在保持匝数比(DMAX)不变的情况下,产品中的各种电压应力不会有任何改变(DMAX决定了电压应力,也不能够大幅度改变,只适合微调)。
我们可以通过研究KRP(LP)变化时,各种电流应力与磁芯参数的变化趋势,最终找出最优设计。
7、采用此方法设计变压器时,建议采用V*TON,而不是I2*LP,因为DMAX(决定TON)几乎是固定量变化不大,而LP可以是变化量(由KRP决定),变化量非常大,优化分析时也比较简单。
8、需要认真理解NP与LP不是线性关系,也要完全明白气隙的计算公式;
9、进行KRP及变压器设计时,需要紧密联系各种参数(电压、电流应力,磁性参数),然后进行系统分析。
这是我极力推荐大家采用软件的主要原因,手工计算极易出错、慢、且无法对全局进行优化分析。
10、关于KRP的相关介绍,可以参考PI的相关设计资料;关于KRF的相关介绍,可以参考飞兆的相关设计资料;关于r的相关介绍,可以参考《精通开关电源设计》;关于KRP,其他公司也有各种不同的描述,但他们要表达的意思其实都差不多。
控制模式:
电压型、电流型、ON/OFF开关控制(RCC)
电压型控制典型芯片:
SG3524/3525、TOP22X/23X/24X等等
电流型控制典型芯片:
TL494、UC3842/3/4/5、NCP1200、NCP1337等等
ON/OFF开关控制典型芯片:
TNY系列,RCC变换器,安森美有个系列好像也是的
声明:
后续可能还会直接引用一些PI的资料,特别是设计流程、软件操作、芯片资料、包括部分设计思路等等,并不代表PI的设计理念比其他公司更优秀,仅仅是我更熟悉些而已,而且这些资料都有中文版本,内容详实,方便初学者追根溯源。
关于书籍,推荐大家《新型单片开关电源设计与应用》2004版,虽然比较难找,但是对于入门来说非常不错。
PI的变压器设计软件其实是非常不错的入门工具,熟练了也可以把它用来设计其它类型的芯片。
现在又可以用来设计PFC、正激、LLC等拓扑,太强大了,建议初学者多花点时间学习学习。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 经验谈 写给 新手 激变 KRP 详解
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)