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1、3开关电源主回路的设计3.1开关电源整流滤波电路的设计输入端整流滤波电路的设计该部分电路主要的功能是整流和滤波，当电网的交流电送入整流桥再经过滤 波以后，就会输出直流电。其电路图如下图3-1所示。1输入保护电路：开关电源的输入保护电路能够在十分复杂的环境下快速对 电源电路和负载进行有效的保护。当产生高压经电网进入电源时，加熔断器FU是为了防止过电流的产生，由FU以及压敏电阻组成输入端的保护环节。在电源 开关管启动开关管导通的瞬间，这时会产生一个极高的浪涌电流，虽然作用时间 短，但是电流峰值却很大。有些开关电源功率比较大，能够在导通的瞬间产生非 常大的电流，这种电流被叫做浪涌电流。这时可以考虑输
2、入端加一个熔断器FU以后，再并联一个压敏电阻，该电阻特性优势比较明显：反应迅速、没有续流、 通过电流量大、残压水平相对低，起过压保护的作用，跟熔断器FU起构成了开关电源输入端的保护电路。2电磁干扰滤波器EMI :开关电源噪声的产生一般分为两类，一个是开关电 源内部形成的电磁干扰噪声，还有一个外界电磁场干扰通过辐射进入开关电源错误!未找到引用源。有种双向滤波器，其通过使用电感跟电容构成的低通滤波器，就是我们平常所用的EMI滤波器，一般加在电源输入端防止电磁干扰。C1和C4是取值 在0.01-1uF的高频旁路电容，通常选薄膜电容，作用是抑制差模噪声。共模滤 波由电容C2跟C3、电感L1跟L2组成。
3、电容通常选用自谐振频率较高的陶瓷电 容，它的取值范围一般在 2200-6800uF,作用是抑制共模噪声错误!未找到引用源。因为电路中还存在漏电流，所以O.luF是该电路中电容的上限值。Li和L2是共模抑 流圈，为了减少高频电流的信号旁路，电感 Li和L2应具有小的分布电容，磁芯 的选用应该与频率相一致，并且可以适当增加电感量，可以相应地改善低频衰减 特性。3输入整流电路：输入整流电路的作用是将来自电网的直流电变成交流电， 这里我们采用整流桥，由四个硅整流二极管连成整流电路， 也可以选用塑料的成 品硅整流桥，体积小、性能优良、整流效率高、稳定性好等优点。由于是大功率 器件，整流桥流过的电流比较大
4、，为了使电流要求留有余量，因此这里我们选择 正向压降小的整流二极管。波形在经过整流桥以后变成如下图3-2所示。交流输入电压的最大值可以作为输入整流二极管耐压值选取的参考，耐流值必须大于输出直流的额定值，输出的最大整流电流由输出的功率决定。 计算公式如下： 我们先假设四个整流二极管外面加的电阻 Rl 输出的平均电压为：i1 -VL=/v2V2sin 3 td w t=0.9Vn0(3.1)流过Rl的电流为：0.9V2(3.2)二极管VD两端的电流为：Il 0.45V2Id=2 Rl二极管VD两端的反向电压为:(3.3)(3.4)Vrm =V2V2本文设计的开关电源是交流 220V，考虑到电网中谐
5、波的幅值较大，设定范 围大概为185V-225V,所以这里我们选用1N4007二极管进行整流，耐压值1000V, 耐流值30A，符合安全要求。4电容滤波电路：因为交、直流阻抗由于滤波电路选取电抗性元件的要求不同，为保存直流分量，滤除一些交流分量，所以要并联滤波电容，来改善直流电 压的性质，降低脉动系数，直流电压相比之下比较平滑。该设计开关电源的输出电压12V，输出电流7.5A，倘若变压器的n为0-8 电源的输入功率为：12 X 7.5Pin = 80%=112.5W( 3.5)输入交流的下限值是185V,经过整流桥之后的电压为：Umn=185 v2=262V(3.6)电流在输入部分最大值可用以
6、下的公式表示为：(3.7)Pin112.5IMAX=辰=0.43滤波电容承受的最大电压为:Umax =225 v2=318V(3.8)根据以往的经验，1A的电流采用1000uF的电容，这里我们采用2200uF的 铝电解电容，耐压值为400V。输出端整流滤波电路的设计输出端整流滤波电容如图3-3所示，高频变压器输出的高频方波脉冲经二极 管和电感电容整流滤波以后变成平滑的直流电源，电感L和电容C组成的滤波器咼频变压器VD1CCGCL1C1 丄 C2VD2I.图3-3输出整流滤波电路输出端的整流滤波电路运用的半桥整流的方式， 可以使得高频变压器的利用 率变得更高，效率较高，纹波电压小，电路的转换效率
7、提高，整流二极管承受的 最大反向电压也低，高频变压器二次侧中心抽头互相对称， 在输出级的整流二极 管的耐压值是变压器二次侧电压最大值的双倍。2Vt 2 X 22碇 Vd=70.71V(3.9)K9电流在单个VD开关周期内通过的有效值是：(3.10)IoI D=2.65A2v2这里我们选择肖特基二极管 STPS30100S平均整流电流30A,反向峰值电压100V。滤波电容的原理跟输出端介绍的原理相同3.2变压器的设计变压器设计的约束条件现在我们使用的变压器功能多种多样， 不仅能够进行输入输出的隔离，而且 能够升降压，传送功率等。在开关电源应用得比较多，逆变电源占的比重比较大。 使用功能，完成功能
8、，提高效率，降低成本是对变压器提出的4项设计要求错误!未找到引用源。将设计要求作为立足点，变压器设计我们能够从以下四个方面入手:。1. 变压器的铁损铜损尽量要小，能够提高效率。2. 变压器磁芯选择要视实际应用中的具体情况定，防止出现能量饱和的情况3. 变压器一次侧和二次侧的耦合要好，可以降低损耗。4. 变压器要有一定的安全裕量，符合安全要求。变压器的设计步骤开关电源变压器的工作频率在20-50KHZ或者更高，因此对变压器型号以及 对各种参数的选取较为严格，这里我们讨论确定一下变压器的参数选取。1. 磁芯的选取：高频变压器的磁路不能选取往常的硅钢片，而要选择 磁导率较高的铁氧体磁芯，电阻率大、损
9、耗小、绕线、组装方便，所以大多 数类似的应用设计方案里，都会运用软磁铁氧体磁芯。2. 电流密度的选取：导线的截面积关键是根据线路中电流的密度来定。一般电流密度的取值在2-4A/mm2,通常我们取J=2.5A/mm2。3. 磁感应强度的选取：本设计在选取这个参数的时候，参考了已有的 设计，确定Bm=0.12T。4. Kf的选取：Kf代表波形有效值跟平均值相除得到的，它是确定的, 当输入正弦波时Kf=4.44,方波的时候Kf=4。5. 窗口利用系数K。的选取：窗口利用系数K。和磁芯、绕组、工作频率 以及线圈的绕制工艺有关，K。或大或小都不符合设计要求，这里我们考虑到 了功率的因素，取KO=0.4,
10、导线采用漆包线。变压器功率P t的确定：变压器功率的计算因输出整流电路的不同而不同，因为输出电路是半桥半波整流，然后变压器实际应用中存在损耗， 假设变压的效率为n 考虑到变压器效率受到铜损、磁芯损耗和变压器温升的问题，效率不能太低，所以取t=80%，计算公式如下：6. AP的计算：由以上得到的结果可以得到AP，推算过程如下：Po x 1090 x l02AP=5=0.23cm2(3.11)2 nf mJKcK。2x 0.8 x 2XX(0.12 x 2.5 x 1 x 0.47. 磁芯的选择：根据求出的AP值就可以确定磁芯的型号，并且选取磁芯的AP值要大于计算得到的AP值。通过查表可以选取型号
11、为EE50,如下图所 示。表3-1 EE50的磁芯参数规格结构常数APAEAWALLEEE5050 x 21.3 x 14.6P 5.7343226253.73611095.80本文中AC输入的范围是185V-225V，变压器原边输入的最低电压为Umin=v2x 225=318V查表可知Ae=2.26cm2，芯片的启动电压UC=15V，假设占空比D=0.5,那么变压器原边的匝数为：(3.13)(3.12)Kl (Umin/2) x 80(318/2) x810N p=5=7.334fsBmAe4x 2x 10 1200 x 2.26原边的电流为：3P03x 90Ip=1.03AUmin v2
12、x 185原边绕组的裸线面积：(3.14)Ip 1.032AXP=J =苕=0.41mm副边绕组的匝数 度饱和， 我们可以减小增益随之减小摆动幅度， 单周期内制止脉宽的突变。 但是 该方案让瞬态响应效率变低。Ns= Ui副边绕组的裸线面积2UNp 2 X 12 X 7遵&220(3.15)Is 1.03 X 7.33/0.802AXs=3.77mm2J2.5(3.16)变压器的匝数比也竺9.16Ns 0.80(3.17)取整数9。反馈绕组的匝数Uc15N3=Np=X 7.33=0.35Urm318反馈绕组的裸线面积(3.18)Ik 1.03 X 7.33/0.352Axk =8.63mm2J2
13、.58.确定结构跟导体：在高频的工作条件下，我们所选取的绕制铜线的深度一(3.19)定要合理，通常情况下是穿透深度的双倍，通过查得资料可知，铜制导线在0.017-0.022mm之间，在这种情况下，多股绕线的方式使得电流密度能够在安全 裕量以内。3.2.3变压器设计的注意事项1. 阶梯饱和变压器一次侧绕组的秒伏值双向不平衡，导致这一后果的主要原因是多个开 关管储存时间不相等，也有可能是因为输出端二极管正向电压不一样。 不平衡的 最终后果就是导致变压器在工作周期内铁芯阶梯式的磁感应强度将达到上限值。2. 瞬时饱和效应倘若有两个开关管在极限值周围工作， 倘若输出端负荷短时间内变大，反馈 回路作出回应
14、使得脉宽瞬间变大，用来填补消耗的部分，使电流增大。在这种情 况下，即使铁芯单向达到极限值，两个开关管要防止不可预测的大电流。 电流装 置也能够减少毁坏的可能，前提是开关管配有反应迅速的限流装置， 保证触发脉 冲在大电流到来之前被制止。但这并不是一个好的解决办法。因为也可能出现过3.趋肤效应趋肤效应表层含义就是指高频电流仅仅在导线最表面的一层通过。 因此导致 了该导线利用率降低， 随之电流密度变大， 增大了功耗。 导线中通过突发性的电 流以后，涡流随着磁力线产生， 表皮上的电流加大， 与变压器内部电流互相平衡。 解决趋肤效应的有效方法就是将用多股导线制作变压器。 4.变压器电磁干扰的抑制变压器二
15、次侧的负载可能受到干扰， 除此以外还能反作用对交流电网产生影 响。磁滞回线在处于非线性的状态的情况下， 变压器中的磁芯会留下许多不需要 的磁通。在此种情况下剩余磁通增多并且能够使得铁芯产生饱和， 因而会引起电 流过流等情况的产生。 具有传导特性的电磁干扰对变压器二次侧跟电网都产生一 定的影响。3.3 元器件的选取MOSFET 功率场效应管功率 MOSFET 其实就是我们平常所说的功率场效应管。 功率 MOSFET 的主 要优点：工作速度较快、不存在二次击穿问题、自关断能力、驱动功率小、安全 工作区宽等，是单极型的电压控制器件基本具备的特性 错误!未找到引用源。为了说明功率场效应晶体管的内部构造以及实现过程， 第一必须要说明场效 应器件的内部组成以及具体实现步骤。由于输出电流是由栅极通过金属（M ）-氧化膜（0）-半导体（S）系统进行控制的，
