一个200W开关电源的功率级设计总结

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1、200W 开关电源的功率级设计总结1. 导言新的功率在200W-500W的交流电源设计，越来越需要功率因素校正（PFC ），以在减少电源线上的能源浪费， 并增加最多来自电源插座的功率。这篇文章描述了一个用于液晶电视的200W电源的设计与构造，所以提到了 很多注意事项，以达到高效率，待机功率低于1W，外形小巧尤其是高度为25mm ，无风扇的简单冷却，低成本。 这些特征对于将要应用的场合是不可或缺的。2. 电路描述和设计设计指标如下：交流输入电压：85 265VRMS功率因素：0.95总输出功率：200W三个直流输出：5V/0.3A12V/5A24V/6A电源分为两个单元。第一电源集成一个功率因素

2、校正电路，内置在FAN4800 PFC/PWM（脉宽调制）二合一控制器周围，产生一个24V/6A和12V/5A的输出。这个器件包含一个平均电流模式PFC控制器和一个能够在电压 和电流模式下工作的PWM控制器。在描述的这项应用中，PWM工作在电流模式，控制一个双管正激变换器。 这种变换器能产生一个稳压的24V输出。12V输出则由一个采用MC34063A PWM控制器的Buck变换器产生。这个附加模块改善了 12V输出校正，减少交叉调节问题，这对于多重输出正激变换器总是一个问题，当负载大 范围变化时。附加变换器成本不是很高，如果与一个双管输出变换器的更复杂、更大的耦合电感相比。第二电源是一个基于飞

3、兆半导体功率开关（FPS ）的Flyback变换器，它给FAN4800提供电源和5V输出。这 个电源工作在待机模式下，它的无负载功耗低于500mW。因此，即使对于省电模式下小负载情况，也有可能满 足1W待机功耗的限制。为了简洁，设计计算和电路图将在每个模组中单独给出。最终完成的示意图和布局，可在附录中查到。3. 功率因素校正本节回顾了功率因素校正电路的电源选择。用来设立乘法器的工作点和差动放大器的增益和频率补偿的低功率部 件的设计在1中给出。图1为电路示意图FPb IM1C23T丄aicmFG3H 1001JH1L. Hl . :B. awT. Bnbind EJ dvhdEvK ECFES.

4、Ci 十 WQrf=L Hhv W图1 : PFC级示意图，组件编号和FAN4800应用说明1相对应3.1 整流器由于主电源用来提供一个200W的输出功率，即总输入功率。假设PFC的效率为90%,正激变换器效率为90%,其中输出功率为:考虑到最大输入电压为 85VRMS最大输入电流为:电磁干扰滤波器的常见共模扼流圈，必须承受这部分电流，同时具有约10mH高电感。市场上有一些扼流圈， 具有高电流，高电感和小尺寸的特征，来自EPCOS和TDK。扼流圈的实际值和类型由电磁干扰测试确定，依 赖于工作条件，也许与本文提出的滤波器有所不同。与输出串联的负温度系数热敏电阻(NTC )限制了浪涌电流，但并非电

5、源工作所真正需要的。整流器根据IIn,RMS选定，但注意到高额定电流二极管通常在某一电流下具有更低的电压降，使用一个额定电流 略高的整流桥是有利的。对于实际设计，选择一个6A/800V桥GBU6K。整流器功耗是可以预计的，通过一个恒定正向电压下已知的近似二极管正向特性乘以一个串联电阻。正向电压VF和串联电阻Rs必须从规格说明书中查，对于GBU6K 分别是0.8V和0.03Q功耗方程变成：如果我们假设一个绝对的最高结温度TJ为150C，最高室温为50C，然后BR1散热器的热大热阻（与空气之间）应为3.2电感L1在讲述的设计中，通过L1的波纹电流的振幅被选定为输入电流的20%。在这种选择下，电感可

6、以根据下列等式（5） 计算：yr.swn(4oor-85rv2k85r-400K lOOkH: - 206 * 247M= LO8wj/给出的电感差不多是1 mH。当RMS电流等于RMS输入电流时，L1的峰值电流是丁扣山血=!心疵厶：册5 V-十 0.2- 12/23“乩【在这个电流和5A/mm2的电流密度下，所需的铜线截面积约为0.58mm2。由于高频电流仅为输入电流的20%, 趋肤效应和邻近效应不是很明确。三或四条细电线并联总面积能够达到所需面积就足够了。在实际设计中，使用 了三根直径为0.5mm的电线，电流密度略低于5A/mm2。L1的磁环尺寸根据被称为磁环区域乘积Ap确定，即 有效磁性

7、截面积和绕组面积（骨架）的乘积。这个乘积很容易证明是其中ACu是铜线面积，Bpeak是饱和磁通密度（对于大多数铁氧体，0.35丁。fCu是铜填充因子，对于简单电感，约为05;对于含有几个线圈的变压器，约为0.4确定这些数据后，L1的Ap需求值是基于惯例，对大多数磁环，磁性截面积和绕组面积非常相近，需要的磁环面积为、（9）因此，对于我们的应用，一个合适的磁环的Ae约为122mm 2。虽然，要找到此磁截面的磁芯并不难，但电感的 高度由于应用要求被限制在25mm。因此，经过一番对磁环和筒管规格说明书仔细搜索之后，选择了 EER3542 , 它的 Ae 为 107mm 2，AW 为 154mm 2，得

8、到 AP 约为 16500mm4 。中心臂上气隙的近似长度s是：其中al, 0是无气隙磁芯的AL （查磁芯规格书），有气隙的磁芯的AL是1 mH/1242=65nH。如果后两个值的单 位是nH,Ae的单位是mm 2,那么气隙长度s的单位是毫米。在这次设计中，气隙长度约2毫米。3.3 Q1和 D1因为最高额定输入电压是265VRMS ，Q1的最大漏极电压为500V似乎足够了。但是建议使用一个额定电压为600V的MOSFET，因为经验显示这个600V MOSFET，能够承受浪涌测试，根据无损坏IEC61000-4-5标准，而 500V类型则需要额外的浪涌电压限制器。同样，这对于Boost二极管也是

9、有效的。这是因为电解质电容C5能够 吸收大量能量，保护一个600V器件，而不是500 V器件。Q1和D1的峰值电流和通过L1的峰值电流是相同的，即4.5A，而Q1的RMS电流为：(II)D1的RMS 电流为：=L如(12)尤其对于MOSFET，低功耗和峰值电流是选择某些器件的重要考虑因素。经过一番计算，选择了一个最大RDSon约为0.45Q100C的SuperFetTM FCP16N60 o Q1的总功耗分成传导功耗和开关功耗。传导功耗如下： 开关损耗进一步分为，由于源漏电容(加上寄生电容的，例如L1和PCB )放电导致的功耗和由于开关过程中电 流和电压重迭带来的功耗，以及D1反向恢复带来的功

10、耗。所有这三项都无法确切了解，但可以根据下面的表达 式估计：（FCP16N60的COSS,eff是llOpF，而杂散电容Cext估计为150pF。50ns的交叉时间tcrossove是一个合理的估 计值，并且得到测量确认。二极管反向恢复导致的功耗预计为2W。最终，Q1的总功耗是：氏7甘卫(16)因此Q1散热器的最大热阻约为10C/WD1传导功耗的计算和BR1相类似：0.56J LU I I 47 f 4100(Dl 开关功耗估计在 2W 左右，得到试验确认。二极管的总功耗为匹z心网(18)给二极管使用的一个合适散热片的热阻应该不超过25C/W。4、双管正激变换器图2 :正激变换器示意图图2是双

11、管正激变换器。在这个应用中，FAN4800的PWM部分运作在电流模式，控制一个双管正激变换器。 这个拓扑基本上和熟知的单管正激变换器相同。但它的优点是，两晶体管中的任何一个漏极电压只需要等于PFC 的直流输出电压。相比之下，标准正激变换器需求两倍大小的漏极电压，差不多800-900V。此外，对于双管正 激变换器，变压器构造简单，便宜，因为它不需要复位绕组。当然有缺点需要考虑:使用的拓扑需要两个晶体管，其中一个的门极电压悬浮于高电压。如果细看，这些问题都 不是大问题，因为功率MOSFET 的导通阻抗正比于漏极电压，为2至2.5倍。这意味着两个晶体管，只须有一 半耐电压同时只有一半导通阻抗，即可使

12、用更少的硅面积得到相同的传导功耗。所以两种解决方案的成本是相似的。因为使用了门极驱动器FAN7382，第二缺点也没有了。这个器件包含一个完全独立的低端和高端门极驱动器。 这是很重要的，因为在双管正激变换器中，所有的晶体管同时关闭和导通。当导通时，能量转移到次级；当关闭 时，变压器经复位二极管D217和D218被去磁化。逼用丁需窘忙斜验啓.序廿FAIHCHLQ1. Dfln tp*cHlcationa of th SM PSfi 汕 li (VJ龙盘4 V.rms珀天無简濡-i（yji疋朗曲jg84 V imsrft抽車他50 Hzaoawwo一方烧量報人松散 汇毡方块足逾出參盟工二:別1SI囲

13、二丸soa v大*r出血率（r=樂:上圧潯血星怡人功9 （Pin）=图3 : AN-4134电子数据表引用 对于双管和单管正激来说，主要设计等式完全相同，所以飞兆半导体应用说明AN-4137及其相关的电子数据表, 如图 3 所示 2，可用于考虑一些变化后的计算。由于变换器直流电压由一个 PFC 预调节器产生，填入电子数据 表的线路电压须选择适当，以获得正确的直流电压。在这个应用中，284VRMS用于两个最低和最高线电压。线 频率并不影响计算。接下来，考量直流母线电容大小（例如lOOOuF），因为使用到PFC，实际直流母线电容器两端的纹波电压相当 小。最高占空比也须严格小于0.5，允许变压器去磁

14、化。为了留下一些馀量，最大占空比选择为0.45。由于已经有了单个晶体管正激的表单，np/nr比（Excel:Np/Nr和最大额定MOSFET电压可以忽略。输出滤波电感L5的电流纹波因素Krf的选择，通常是一个反复的过程。一方面，想使这个因素尽可能小，以减 少初级和次级电流的RMS和峰值。另一方面，L5不得过大。因此，开始假设一个纹波因素，然后检查L5的配 置结果是否可以接受。在这次设计中,KRF值为0.21L5的计算电感为40“H计算的绕组将完全填补一个EER2828 磁环。根据选择的 KRF ，通过 Q205 和 Q206 的电流的 RSM 和峰值如下:/畑5 IOS严型(19)如前所述，最

15、高漏极电压稍微大于400V足够了，能有效使用额定电压为500V M0SFET。其次，输出建议使用 600V MOSFET ，而不是一个浪涌电压限制器。SUPERFETTM FCP7N60 具有下列数据禺込二皿1曲。j = 12心 w 1A7昨二7勺沾at A(20)功耗能够很容易得到，与计算Q1功耗类似。尺咖j =尺门钟_ 一”=120X t|,Klf 100后左=1 211_(21)这里给出了一个功耗上限值。在实际中，励磁电感的谐振和节电输出电容使电压降低到400V以下，Q206的功 耗当然是完全相同的。每一个M0SFET需要一个最大热阻为20C/W的散热器。电流感应电阻R233的值是这样选择的，最大峰