反激式开关电源设计的思考1.docx

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反激式开关电源设计的思考1

反激式开关电源设计的思考一

      对一般变压器而言,原边绕组的电流由两部分组成,一部分是负载电流分量,它的大小与副边负载有关;当副边电流加大时,原边负载电流分量也增加,以抵消副边电流的作用.另一部分是励磁电流分量,主要产生主磁通,在空载运行和负载运行时,该励磁分量均不变化.

    励磁电流分量就如同抽水泵中必须保持有适量的水一样,若抽水泵中无水,它就无法产生真空效应,大气压就无法将水压上来,水泵就无法正常工作;只有给水泵中加适量的水,让水泵排空,才可正常抽水.在整个抽水过程中,水泵中保持的水量又是不变的.这就是,励磁电流在变压器中必须存在,并且在整个工作过程中保持恒定.

    正激式变压器和上述基本一样,初级绕组的电流也由励磁电流和负载电流两部分组成;在初级绕组有电流的同时,次级绕组也有电流,初级负载电流分量去平衡次级电流,激励电流分量会使磁芯沿磁滞回线移动.而初次级负载安匝数相互抵消,它们不会使磁芯沿磁滞回线来回移动,而励磁电流占初级总电流很小一部分,一般不大于总电流10%,因此不会造成磁芯饱和.

    反激式变换器和以上所述大不相同,反激式变换器工作过程分两步:

      第一:

开关管导通,母线通过初级绕组将电能转换为磁能存储起来;

      第二:

开关管关断,存储的磁能通过次级绕组给电容充电,同时给负载供电.

    可见,反激式变换器开关管导通时,次级绕组均没构成回路,整个变压器如同仅有一个初级绕组的带磁芯的电感器一样,此时仅有初级电流,转换器没有次级安匝数去抵消它.初级的全部电流用于磁芯沿磁滞回线移动,实现电能向磁能的转换;这种情况极易使磁芯饱和.

    磁芯饱和时,很短的时间内极易使开关管损坏.因为当磁芯饱和时,磁感应强度基本不变,dB/dt近似为零,根据电磁感应定律,将不会产生自感电动势去抵消母线电压,初级绕组线圈的电阻很小,这样母线电压将几乎全部加在开关管上,开关管会瞬时损坏.

    由上边分析可知,反激式开关电源的设计,在保证输出功率的前提下,首要解决的是磁芯饱和问题.

如何解决磁芯饱和问题?

磁场能量存于何处?

将在下一篇文章:

反激式开关电源变压器设计的思考二中讨论.

反激式开关电源设计的思考二

“反激式开关电源设计的思考一”文中,分析了反激式变换器的特殊性防止磁

芯和的重要性,那么如何防止磁芯的饱和呢?

大家知道增加气隙可在相同ΔB的

情况下,ΔIW的变化范围扩大许多,为什么气隙有此作用呢?

由全电流定律可知:

  由上例可知,同一个磁芯在电流不变的条件下,仅增加1mm气隙,加气隙的磁

感强度仅为不加气隙的磁感应强度的4.8%,看来效果相当明显.

  加了气隙后,是否会影响输出功率呢?

换句话说,加了气隙变压器还能否储

原来那些能量呀?

看一下下面的例子就知道了:

在“思考一”一文中已讨论过,当开关管导通时,次级绕组均不构成回路,此

时,变压器象是仅有一个初级绕组带磁芯的电感器一样,母线将次级需要的全部

能量都存在这个电感器里.如下图1就是一个有气隙的电感器:

图1表示一个磁芯长为lm,气隙长为lg,截面积为Ae的磁芯,在其上绕N匝线圈,

当输入电压为Ui时,输入功率为Wi:

6式右边的积分为图2中阴影部分面积A,即就是说:

    磁场能量的大小等于磁化曲线b和纵轴所围成的面积大小.图1中,假定磁路

各部分的面积相等,磁芯各部分的磁场强度为Hm,气隙部分的磁场强度为Hg,由

全电流定律得:

11式右边第一项是磁芯中的磁场能量,第二项是气隙部分的磁场能量,分别用

Wi和Wg表示;那么:

      图3中,曲线m表示图1电感器无气隙时的磁化曲线,曲线g表示有气隙时的磁

化曲线.图中,面积Am表示储存在磁芯部分的磁场能量;面积Ag表示储存在气隙

部分的磁场能量.上面讲了气隙的作用以及磁场能量在变压器中的分布,那么,

根据输出功率如何选用磁芯呢?

将在反激式开关电源设计思考三中讨论.

反激式开关电源设计的思考三（磁芯的选取）

在DCM状态下选择:

Uin-电源输入直流电压

Uinmin-电源输入直流电压最小值

D-占空比

Np-初级绕组匝数

Lp-初级绕组电感量

Ae-磁芯有效面积

Ip-初级峰值电流

f-开关频率

Ton-开关管导通时间

I-初级绕组电流有效值

η-开关电源效率

J-电流密度

通过（3）式可方便计算出反激式开关电源在电流断续模式

时磁芯的AeAw值,通过查厂商提供的磁芯参数表就可选择

合适的磁芯,在选择磁芯时要留一定的余量.

  例如:

有一反激式开关电源输出功率为10W,开关频率为

40KHz,ΔB为0.16T,电流密度取4.5A/mm2磁芯选用EE系列,

那么由公式（3）可知:

考虑到实际绕线的绝缘层等的影响,须考虑填充系数（取0.8）,

    即:

        Ap=AeAw/0.8=1.736×1000/0.8=2207.5

      通过上面计算,EE19磁芯比较接近,考虑到辅助绕组和

其他因素选择EE20磁芯.

    为计算方便,（3）式可修正为:

Ap=AwAe=6500×P0/（△B×J×f）        （4）

单位:

    P0    -----  瓦特;

△B  ----  特斯拉

J    ------  安培/平方毫米

f    ------  千赫兹

Ap  ------  毫米的四次方

    在实际使用中一定要注意公式的应用条件,公式（4）是在

单端反激式开关电源电流断续模式下推导出来的,并且用

了一系列假设:

    1．窗口使用系数SF:

0.4

    2．初级绕组面积Ap=次级绕组面积As

    3．当直流输入电压最低时Dm=0.5

    4．电源效率η=0.8

    5．填充系数为0.8

因此,该计算值在使用中要根据实际情况酌情修正,并且作

为我们选择磁芯的一个大致参考,由于工艺的原因必须通过

实践验证而最终确定.

  另外单端反激式开关电源中,他激式和自激式的效率差别

比较大,一般自激式的效率比较低,大概在0.7左右,使用

公式（4）时要乘以（0.8/0.7=）1.15进行修正.

  磁芯选好后,在反激式开关电源设计过程中应该遵循的规则

将在反激式开关电源设计的思考四中讨论.

反激式开关电源设计的思考四

    -反激式开关电源设计应遵循的规则

  由于反激式开关电源的特殊性,在设计时要特别考虑的问

题就多一些,归纳起来有如下几点:

一、任何时刻开关管上所承受的电压都要低于它所能够承受

  的最大电压,并且要有足够的安全裕量;

    以此为出发点,就确定了变压器的变化;

    Ucemax=Uinmax+N·Uo+Upk+Uy

    式中:

Ucemax-开关管所能承受的最大电压

      N-变比初级匝数Np/次级匝数Ns

      Uin-直流输入电压最大值

      Uo-输出电压

      Upk-漏感所产生的电压

      Uy-电压裕量

  此式很重要一点,就是确定了变比N,变比一确定一系列

  问题就确定下来;比如:

      反射电压:

VoR  ＝N·Vo;

      占空比:

      D  =  VoR/（Vin+VoR）;

      导通时间:

  Ton=  D·T

  变比一定要选择合适,以使电路达到优化;若使用双极型

  晶体管对其基电极的控制很重要,因为它影响着Vcemax的

  大小:

Vces>Vcer>Vceo;在ce间承受最高电压时最好保证

  be结短接或者反偏,此时晶体管就可承受较高的反偏电压.

二、任何时刻都应保证磁芯不饱和;

  由于反激式开关变压器的特殊性,磁芯饱和问题在反激式

  变换器的设计中尤为重要.一旦磁芯饱和,开关管瞬间就

  会损坏.为防止磁芯饱和反激式开关变压器磁芯一般都留

  气隙,显著扩大磁场强度的范围,但仅靠气隙并不能完全

  解决磁芯饱和的问题,由磁感应定律很容易得出:

    由

（1）式知:

  磁感应强度与输入电压和导通时间有关.在输入  电压一

  定时,由反馈电路保证Ton的合适值.

  在工作过程中,根据磁饱和的形式分两种情况:

  一种是:

一次性饱和:

  当反馈环路突然失控时,在一个周期内导通一直  持续,

  直到过大的Ip使磁芯饱和而使开关管立即  损坏;

  另一种是:

逐次积累式饱和:

  磁芯每个周期都有置位与复位动作,反激式开关  电源磁

  芯置位是由初级绕组来实现,磁芯复位是由  次级绕组和

  输出电路来实现.当电路等设计不当时,  每次磁芯不能

  完全复位,一次次的积累,在若干周期内磁芯饱和.就像

  吹气不一样,一口气吹破就相当磁芯一次性饱和;每吹一

  次,就排气,但每次排气量都比进气量少一点,这样循环

  几次后,气球就会被撑破的;若每次充排气量相同,气球

  就不会破的,磁芯也是如此,如下图:

磁芯从a→b→c为置位,从c→d→a为复位,每个周期都要

  回到a,磁芯就不会饱和.对于反激式开关电源的断续模

  式,磁芯复位一般是不成问题的.  

三、始终保持变换器工作于一个模式如CCM或DCM;不要在两

  个模式之间转换,这两种模式不同,对反馈回路的调节

  电路要求也不同,在考虑某一种模式而设计的调节电路,    

  如运行到另一模式时易引起不稳定或者性能下降.

四、保证最小导通时间不接近双极性开关管的存储时间;（

    MOSFET管例外）

  在设计反激式开关电源时,特别在开关电源  频率较高

  、直流输入电压最高,负载又较轻  时,开关导通时间

  Ton最小,若这个时间接近或小于双极性晶体管的存储时      

  间（0.5μs~1.0μs）时,极易造成开关管失控,而使磁

  芯饱和.此时就要重新审视开关频率的选择,或能否工作

  于如此高电压或者通过调节占空比来适应.或者选用其

    他电路拓扑.

五、不要将变换器的重要元件的参数选得接近分布参数;具

  体来说,电阻不要太大,电容器和电感器不要太小.

（1）许多反激式开关电源都有一个振荡频率,由IC芯片提供

    ,如UC3842,由RC决定,当把R选择太大,C太小时,就    

    易使稳定性特别差;如电容C小得接近分布参数,也就是

    说取掉该电容由线路板及其它元件间的分布参数而形成

    的容值都和所选的电容容值差不多;或者所选电阻太大以

    至于线路板上的漏电流所等效的阻值都和所选的电阻大小

    差不多;这将造成工作不稳定,如温度或湿度变化时其

    分布参数也跟着变  化,严重影响振荡的稳定性.R一般

    不要大于1M欧,C一般不  要小于22PF.

（2）反激式开关电源的输出功率如下式:

（DCM）

由

（2）式可知:

    在电流断续模式时,当电压和频率固定的情况下,输出功

    率和变压器的初级电感成反比.即要增加功率就要减小初

    级绕组的电感量.反激式开关变压器的特殊性:

当开关管

    导通时变压器相当于仅有初级绕组的一个带磁芯的电感器

    ,当这个电感器小到一定值时就不可太小了,当小至和分

    布电感值差不多时,这样变压器的参数就没有一致性,工

    作稳定性差,可能分布参数的变化都会使整个电感值变化

    一少半,电路的可靠性就无从谈起.初级电感值至少应是

    分布电感的10倍以上.

（3）同样道理,磁芯的气隙也不可选的太少,太小的话,磁

    芯稍微的变动（如热胀冷缩）对气隙来说都显得占的比例

  很大,这样的变压器就无一致性可言,更无法批量生产.

六、反激式变换器的输出滤波电容比起其它拓扑形式的电路

    所受的冲击更大,它的选择好坏对整个电源的性能及寿命

    有举足轻重的作用.选择时,一般是按纹波电压要求初

    选电容值,用电容的额定纹波电流确定电容值,这样比

    较安全稳妥.当然,耐压值和温度等级也要足够.

七、降低损耗,遏制温升,提高效率,延长寿命

    开关电源内部的损耗主要分四个方面:

（1）开关损耗  如:

功率开关,驱动;

（2）导通损耗  如:

输出整流器,电解电容中电阻损耗;

（3）附加损耗  如:

控制IC,反馈电路,启动电路,驱动电

    路;

（4）电阻损耗  如:

预加负载等;

    在反激式开关电源中,功率开关和驱动以及输出整流部

    分占损耗的90%多,磁性元件占5%,其它占5%;损耗

    直接影响效率,更影响电源的稳定性和工作寿命.损耗

    都以发热而表现出来,晶体管和电容和磁性元件都对温

    度很敏感;下面看一下温度的影响:

（1）温度每升高10℃,电解电容的寿命就会减半

（2）在高温和反向电压接近额定值时,肖特基二极管的漏电

    很严重,就像阴阳极通路一样;

（3）通用磁性材料,从25℃到100℃饱和磁感应强度下降30%

    左右;在这里,磁性材料的损耗虽然说占比例很小但是它

    对整个开关电源的影响非常大.比如在正常工作时,设计

    的最大磁通密度偏大,由于温升的原因将使饱和磁感应强

    度下降,再加上反馈回路的延迟效应而使导通时间加长,

    极易使磁芯饱和,瞬间开关管损坏.在此设计时,最好保

    证铜耗接近于磁耗,初级绕组的铜耗接近于次级绕组的铜

    耗以达到最优化的设计防止磁芯过渡温升.

（4）MOSFET管,每升高25℃,栅极阀值电压下降5%;MOSFET

    管的最大节点温度时150℃,节点温度的理想值为105℃,

    最高不要超过125℃;MOSFET管,Rds随温度的升高而增大.

（5）双极型晶体管,随温度的升高,Vce而减小,在环境温度

    较高或接近最高结温时,晶体管的实际最高耐压会有所下

    降,并且漏电流会更进一步增加,很易造成热损耗.所以

    ,在设计时,尽可能降低元件本身损耗而造成的温升,也

    要注意远离热源,不因外界原因而造成温升.更要优化设

    计减小损耗,提高效率,延长元器件及整个电源的工作寿

    命.

反激式开关电源设计的思考五

-常用公式的理解

在反激式开关电源设计之前,我们必须对要用到的公式有所了解,这样不

至于造成不管公式适用条件如何,拿来就用,以致看似合理实则差之远矣.

下面将在反激式开关电源设计中常用的公式分析如下:

  再讲电源设计用公式前先看一看一些基本的知识.

一、基本知识

1.磁场的产生:

磁场是由运动电荷产生的,变压器磁芯中的磁场是由绕组中的传导电流产生

磁铁的磁场是由“分子电流”产生.

2.右手定则

右手定则用于判断通电螺线管的磁极（N极/S极,或者说磁力线的方向）,

用右手握住螺线管,弯曲的四指沿电流回绕方向将拇指伸直,这时拇指指向

螺线管的N极或者磁力线的方向.

3.磁感应强度B

磁场是由运动电荷产生的,同时,运动的电荷在磁场中又会受到力的作用.

由此,人们通过在磁场中运动的电荷所受磁场力的大小来反映磁场的强弱;

让不同电量（q>0）的电荷,在垂直磁场的方向以不同的速度运动,该电荷

就会受力,虽然电荷在各点受磁场力的大小不同,但是力与电荷量以及速度

的比值在同一点却是相同的,唯一的,这个值就反映了该点磁场的强弱.因

此:

B＝F/q.v            

（1）

该式的物理意义为:

磁场中某点的磁感应强度B的大小,在数值上等于单位

正电荷,以单位速度沿垂直磁场方向运动时,所受力的大小.磁感应强度的

单位:

4.磁通量φ

磁场不仅有强弱还有方向,用磁力线能很好的表示磁感应强度的方向,磁力

线是一些围绕电流的闭合线,没有起点也没有终点的曲线.把垂直穿过一个

曲面的磁感应线的条数称为穿过该面的磁通量.用φ表示.也形象的将磁感

应强度称为磁通密度,两者关系如下:

φ＝B·S                

（2）

磁通的单位:

1T·m2=1Wb（韦伯）

5.磁场强度H

既然点电荷之间的相互作用服从库仑定律,那么,库仑认为点磁荷也应有类

似的定律.

此式为磁的库仑定律;

既然电场强弱可通过点电荷去测量,那么磁场的强弱也就可用点磁荷来测量

类似的,把点磁荷放在磁场中,根据其受力的大小就可反映该点磁场的强

弱,因此就引入了磁场强度的物理量H

H＝F/qm0                    （4）

该式中F是试探点磁荷qm0在磁场某点所受的力,该式的物理意义:

磁场中某

点的磁场强度H的大小在数值上等于单位磁荷在该点所受到的磁场力的大小

.

6.安培环路定理

磁感应线是套连在闭合载流回路上的闭合线,若取磁感应强度沿磁感应线的

环路积分,则磁感应强度沿任何闭合环路L的线积分,等于穿过这个环路所

有电流的代数和的μ0倍.

∮（L）B·dl=μ0∑I              （5）

在有磁介质时,安培环路定律表示为:

∮LB·dl=μ0（∑I+Is）      （6）

（6）式中:

Is-为磁化电流

        I-传导电流

介质内任何曲面S的磁化电流强度Is为

Is＝∮LMdl                  （7）

（7）式中,M为磁化强度,在数值上等于磁化面电流密度

代（7）式入（6）式得:

∮LB·dl=μ0（∑I+∮LMdl）

或:

∮L（-M）·dl=∑I

令:

H＝  -M

则:

∮LH·dl=∑I                （8）

（8）式表示:

磁场强度沿任一闭合路径的线积分只与传导电流有关.也说明传导电流确定

以后,不论磁场中放进什么样的磁介质,也不论磁介质放在何处,磁场强度

的线积分都只与传导电流有关.

因而,引入磁场强度H这个物理量后,就可绕过磁介质磁化,磁化电流等不

方便测量、处理等一系列问题,而可方便的从宏观上处理磁介质的存在时的

磁场问题.

7.磁感应强度B和磁场强度H的关系

磁感应强度和磁场强度都是反映磁场强弱和方向的物理量.

磁感应强度是根据在磁场中垂直运动的电荷受力这个特点出发,通过运动电

荷在磁场中受力大小及方向反映磁场的强弱及方向的.

磁场强度是根据两个磁荷间总有作用力这个特点为出发点,通过在磁场中放

探试点磁荷,根据点磁荷在该点受力大小和方向来反映磁场的强弱及方向的

.

也就是说,由于人们对磁的认识的观点不同而使对同一个物理现象用不同的

物理量来描述的.在磁荷观点中,为描述磁场的强弱而引入了磁场强度H,

而磁感应强度B是作为辅助量引入的;相反,在分子电流观点中,为描述磁

场的强弱而引入了磁感应强度B,而磁场强度H时作为辅助量引入的.

引入磁感应强度和磁场强度都只是表示磁场在某点的强弱及大小,磁场是自

然存在的,它在某点的大小和方向是客观存在的,不会因为表示的方法不同

而有所改变.

由磁场强度H的定义式可知:

上式中:

μ0-绝对磁导率

        μr-相对磁导率

        μ-磁介质的磁导率

8.法拉第电磁感应定律

穿过单匝导线回路的磁通量变化时,会在导体回路中产生感应电动势,感应

电动势的大小与穿过回路磁通量的变化率dφ/dt成正比.

ε＝-Kdφ/dt                （12）

若全采用国际单位制,K＝1

ε＝-dφ/dt

当为N匝导线组成的回路时

ε＝-Ndφ/dt                （13）

法拉第电磁感应定律表明,决定感应电动势大小的是磁通随时间的变化率,

而不是磁通量本身的大小,也就是说保持恒定大小的磁通量是不会产生感应

电动势的.

9.自感系数L

对于密绕N匝的线圈,电流I在各匝线圈中产生的磁通基本相同,线圈产生的

自感电动势为:

（14）式说明了自感电动势与自感磁链ψ的关系,而自感磁链与线圈中的电

流成正比:

ψ＝LI                        （15）

式中,系数L称为自感系数,I与ψ均为由方向性的物理量,在合适的符号规

定下,可保证自感磁链与电流同时为正或同时为负,因而保证自感系数恒为

正.

代（15）入（14）得:

由该式可知,自感系数L在数值上等于单位电流引起的自感磁链,但是自感

系数就象电阻器的电阻一样,是该器件本身的一种属性,是自然存在的,和

是否有电流流过以及电流大小都无关,它只决定于线圈本身的大小,形状以

及周围介质等因素.

10.有效值,平均值（以电流为例）

11.次级有效值,平均值（以电流为例）

二、开关电源设计部分相关公式:

1.变比/匝数比:

N

N＝Np/Ns                              （20）

但是在设计变压器之前并不知道初次级线匝匝数,匝数比的确定很大程度上

取决于开关管的耐压值,由于输入最高直流电压,变压器的漏感和反射电压

一起确定了开关管在截止瞬间所要承受的最大的电压值,其中反射电压是由

输出电压和变比确定的,若开关管所能承受的最大电压为Vm,那么:

Vm=Uinmax+N（V0+Vd）+Vpk+Vy        （21）

式中:

Uinmax-为最大直流输入电压

      Vo-  输出电压

      Vd-输出二极管管压降

      Vp-漏感所产生的尖峰电压

      Vy-安全电压裕量

    其中,漏感电压可通过变压器制作工艺和增加阻容吸收电路来抑制;可

见,改变匝数比能控制开关管的威胁,对于220或380电网来说,开关管的耐

压已不成问题,在设计中常常根据反射电压直接确定匝数比;

    VoR=N（VO+VD）                          （22）

    220V交流电压时,VoR常取150V左右

    380V交流电压时,VoR常取200V左右

    可根据具体情况调整即可.

2.初级匝数:

Np

根据电磁感应定律

首先确定△B,△B的选择保证变压器正常工作