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1、LITE ON开关电源参数计算Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望LITE ON一一.简介简介 稳定的能源设备除了能供应系统维持正常的功能外并影响整个系统的特性，稳定的能源设备除了能供应系统维持正常的功能外并影响整个系统的特性，再者当今能源短缺急需节约能源潮流的驱使下，设计产生高效率的能源设备，再者当今能源短缺急需节约能源潮流的驱使下，设计产生高效率的能源设备，减少能源浪费是为众所追求的目标。并且在电力品质与电力性能方面也必须减少能源浪费是为众所追求的目标。并且在电力品质
2、与电力性能方面也必须有较严格的标准，例如：较大的额定功率有较严格的标准，例如：较大的额定功率,较小的杂讯干扰，较理想的能源使较小的杂讯干扰，较理想的能源使用率等等，都是设计电路必须考虑的问题，而电源转换器之功率因数则直接用率等等，都是设计电路必须考虑的问题，而电源转换器之功率因数则直接影响上述性能。影响上述性能。 一般而言，提升功率因数直接影响下述问题：一般而言，提升功率因数直接影响下述问题： 1.杂讯干扰问题。杂讯干扰问题。 由于桥式整流所所产生之输入电流一不规则且不连续之脉动电流，含有大量由于桥式整流所所产生之输入电流一不规则且不连续之脉动电流，含有大量之高频谐波，因此对于一些电子周边设备
3、将产生一些不必要的干扰，。故为之高频谐波，因此对于一些电子周边设备将产生一些不必要的干扰，。故为了抑制高频谐波电流干扰必须利用外加电路来修正输入电流使其接近正弦，了抑制高频谐波电流干扰必须利用外加电路来修正输入电流使其接近正弦，如此方能降低输入电流中之高频谐波含量进一步克服杂讯干扰的问题。如此方能降低输入电流中之高频谐波含量进一步克服杂讯干扰的问题。一一.PFC电路基本电路基本原理LITE ON2.能源浪费问题能源浪费问题: 过低的功率因数值若是从能量之观点来解释过低的功率因数值若是从能量之观点来解释,意味着输入电流的意味着输入电流的总谐波失真总谐波失真(Total Harmonic Dist
4、ortion,THD)很高，因此一部很高，因此一部传统式电源从标准插座（传统式电源从标准插座（Standard Outlet)上所吸取之功率将只上所吸取之功率将只有插座上额定功率的五分之三左右，异言之将有五分之二的能有插座上额定功率的五分之三左右，异言之将有五分之二的能量消耗在高频谐波电流上。量消耗在高频谐波电流上。 因此为了提升电源转换器之输出额定功率，减少能源浪费及杂因此为了提升电源转换器之输出额定功率，减少能源浪费及杂讯干扰功率因数较正是有其必要的。讯干扰功率因数较正是有其必要的。二二.功率因数修正技术功率因数修正技术 一般的桥式整流之所以会导致一般的桥式整流之所以会导致PF值较低，可有
5、以下讨论看出，如值较低，可有以下讨论看出，如图所示，全桥式整流只有在电源电压图所示，全桥式整流只有在电源电压Vi高于电容电压高于电容电压Vo时才会时才会导通，在这些期间输入电流必须供应半周所需之能量，因此其导通，在这些期间输入电流必须供应半周所需之能量，因此其波形呈现高尖之特性，这样的波形含有大量的高次谐波，其功波形呈现高尖之特性，这样的波形含有大量的高次谐波，其功率因数也只能达到率因数也只能达到0.50.7。 LITE ON最低输入电压的确定最低输入电压的确定如图：如图： 电压电压 电流电流PFC相关参数的计算相关参数的计算LITE ON有有 D=TD=Tonon/(T/(Tonon+T+T
6、offoff) ) 则：则：T Tonon=D/F=D/FPFCPFC, T, Toffoff=(1-D)/ F=(1-D)/ FPFCPFC上升斜率上升斜率= =/ / T Tonon下降斜率下降斜率= =/ / T Toffoff又根据电感的特性方程：又根据电感的特性方程：U=Ldi/dt U=Ldi/dt 得得当当PFCPFCMOSMOS管导通时管导通时 2 2U Uiminimin=L=L/ / T Ton on 当当PFCPFCMOSMOS管截止时管截止时 U U0 0高压高压2 2U Uiminimin=L=L/ / T Toffoff /可得：可得：2 2U Uiminimin(
7、U(U0 0高压高压2 2U Uiminimin)=T)=Toffoff/T/Tonon=(1-D)/D=(1-D)/D由上式可得由上式可得U Uiminimin=U=U0 0高压高压(1-(1-D DpfcMAXpfcMAX)/2)/2 由此式可知，电源输入电压的最小值是由由此式可知，电源输入电压的最小值是由PFCMOS占空比和占空比和PFC电电路最终输出的高压直流电压的数值而决定的，在路最终输出的高压直流电压的数值而决定的，在PA-1151-3电路中，电路中，U0高压高压390V,PFC芯片芯片L6561最大占空比最大占空比 LITE ON70%.将将U0高压高压、Dmax代入上式可得：代
8、入上式可得：Uimin=82.73V因此选取输入电压的下限为因此选取输入电压的下限为Uimin=85V.PFC二极管的确定二极管的确定由能量守恒可知，在输入电压最小时，输入电流最大。由能量守恒可知，在输入电压最小时，输入电流最大。设最大的输入电流有效值为设最大的输入电流有效值为Iinmax(rms)则有：则有：Iinmax(rms)U0I0/1Uimin它和流经它和流经PFC电路得电流电路得电流关系为关系为Iinmax(rms)U0I0/1Uimin对于此机种，将对于此机种，将U0=12V,I0=13A(fan=0.5A),1=0.73,Uimin=85V,代入代入上述方程得：上述方程得：I=
9、7.1109A实际测量如图：实际测量如图：LITE ONCH4为电流波形：为电流波形：LITE ONPFC电感感值的确定电感感值的确定因为在因为在PFCMOS管截止时管截止时,PFC电感上的电流不会突变电感上的电流不会突变,所以下降得电流会流过所以下降得电流会流过D102,所以对于所以对于D102,它所流经的最大电流应为它所流经的最大电流应为I=UoIo/1Uimin又又2Uinmin=LPFC/t=(2LPFCUoIofPFC2)/(1 1DpfcMAXUinmin)可得：可得：LPFC=(Dpfcmax1Uimin2)/(2U0I0FPFC)将将Uimin=U0高压高压(1-DpfcMAX
10、)/2代入上式代入上式LPFC=(U0高压高压2(1-DMAX)2DMAX1)/(4U0I0FPFC)从从L的关系式可知的关系式可知L的大小由输出最大电流的大小由输出最大电流Io,PFCMOS管的最低工作频率管的最低工作频率fPFC、最大占空比最大占空比Dpfcmax,最小输入电压最小输入电压Uimin,电源效率电源效率1,共同决定的。共同决定的。将将DpfcMAX=0.7,1=0.73,U0=12V,I0=12.5A(fan=0.5A),FPFC=35KHz代代入上式得入上式得LPFC=320uH,（实际测得实际测得LPFC=315uH）LITE ON电源输出极限电流的确定电源输出极限电流的
11、确定由上述的由上述的PFC感知的确定公式可以导出感知的确定公式可以导出I0I0=(U0高压高压2(1-DMAX)2DMAX1)/(4U0LPFCFPFC)从从上上述述公公式式可可知知若若要要电电源源输输出出极极限限电电流流，则则PFC电电路路的的工工作作频频率最低，且占空比最大。率最低，且占空比最大。将将DMAX=0.7,1=0.73,LPFC=320uH,FPFC=27KHz代入得代入得I0MAX=16.867A(实际测得输出极限电流为实际测得输出极限电流为17.1A)同时从上述得输出电流公式也让我们看到了在电源输出任意电同时从上述得输出电流公式也让我们看到了在电源输出任意电流值的情况下，占
12、空比和流值的情况下，占空比和PFC电路工作频率之间的关系。电路工作频率之间的关系。LITE ON 实际测得实际测得PFC芯片工作最低频率芯片工作最低频率26.74KHzLITE ON開開關電源參數計算關電源參數計算By Cd ZhangQE Department, QRALITEON electronics (Dongguan) co.,LTDLITE ON 变压器主线圈感值的确定变压器主线圈感值的确定 因因为为变变压压其其前前端端输输入入电电压压固固定定,所所以以不不论论任任何何输输入入电电压压,主主MOS的的开开关关频频率率几几乎乎固固定定不不变变,设设变变压压器器的的变变比比为为N,开开
13、关关频频率率为为f f主主, , , ( (经经试试验验测测得得N=11 N=11 f f主主=70=70KHz)MOSKHz)MOS管管上上的的电电压压和和流流经经变变压压器的电流如下图所示器的电流如下图所示: :xyLITE ON由功率守衡可知由功率守衡可知;U0高压高压*Irms=W功功/2=U0I0/2可得可得;Irms=U0I0/U0高压高压2下面列方程下面列方程,主要依据：主要依据：一周期中变压器上升的电流有效值应等于一周期中变压器上升的电流有效值应等于Irms上升斜率应符合电感特性方程上升斜率应符合电感特性方程U=Ldi/dt初次级电流的变比应符合初次级电流的变比应符合N.倍的关
14、系倍的关系.因此得到方程组因此得到方程组.X*D主主/F主主+ Y*D主主/F主主=Irms/F主主YF主主/D主主=U0高压高压/LI=X=X=I0 /N /N解得解得;X= I0/N/NY=2I0(U0/D主主2U0高压高压-1/N)L=D主主2U0高压高压22N/(2I0F主主(U0N-D主主2U0高压高压)从从上上述述解解中中可可得得到到一一个个隐隐函函条条件件,即即Y0.因因为为主主MOS管管在在道道通通时时,变变压压器器的的电流不可能下降电流不可能下降.所以从所以从Y0条件中解得条件中解得U0/D主主2U0高压高压1/ 1/N NLITE ON得得 DU0N/2U0高压高压即主即主
15、MOS管的最大占空比管的最大占空比因为在二次侧应属于降压型电路因为在二次侧应属于降压型电路,则输入与输出应符合则输入与输出应符合输出输出=输入输入*D对于此电路应有对于此电路应有U0=D主主U0高压高压/N可得可得:D主主=U0N/U0高压高压将将D主主=U0N/U0高压高压代入代入L得表达式有得表达式有X=I0/NY=2(1-2)I0/N2L=U0N22/(2I0F主主(1-2)将将U0=12V,N=11,2=0.5,I0=1A(实实际际测测得得在在输输出出电电流流为为1A时时,电电源源效效率率为为46.5%,考考虑虑到到此此效效率率是是变变压压器器前前端端至至输输出出的的效效率率,所所以以
16、取取2=0.5),F主主=70KHz代入代入L的表达式得到的表达式得到L的感值大小的感值大小L=10.37mH(实际测得实际测得11.2mH)LITE ON 从从上上述述的的推推导导过过程程可可以以看看出出，此此处处的的2应应是是变变压压器器至至输输出出的的效效率率, ,为为此此可可取取2=0.85，在在机机台台满满载载情情况况下下(I0=13A)可可计计算算出出 X=1.186A,Y=0.4186A.在在超超载载时时（I0=17A）可可计计算算出出X=1.551A,Y=0.547A,X+Y=2.098A.实际测的波形如图实际测的波形如图: : LOAD 17A LOAD 17A CH2CH2
17、为电流波形（为电流波形（1 1A/divA/div）LITE ON对对L进行讨论：进行讨论：令令L为为的函数，对的函数，对L求导可以得到求导可以得到L=1/(1-)2其函数图形如图其函数图形如图: :从从图图形形上上可可以以清清楚楚地地看看到到若若机机台台的的工工作作效效率率高高，那那么么对对应应的的主主变变压压器器的的感感值就要适当的提高。值就要适当的提高。LITE ON 二次侧整流二极管的确定二次侧整流二极管的确定按按变变压压器器的的变变比比将将一一次次侧侧的的电电流流变变换换致致二二次次侧侧可可知知,二二次次侧侧电电流流大大致波形为致波形为:从电流变比的关系很容易计算出二次侧电流的峰值从
18、电流变比的关系很容易计算出二次侧电流的峰值Ipeak=N(X+Y)=I0(2-2)/2取取 2等等 于于 0.85， I0等等 于于 12.5A(正正 常常 工工 作作 )得得 Ipeak=16.912AI0等于等于17A(工作极限工作极限)得得Ipeak=23ALITE ON讨论：讨论： 从从上上述述关关于于二二次次侧侧整整流流二二极极管管所所流流电电流流峰峰值值的的公公式式中中可可以以看看到，此峰值电流只和效率，输出电流有关。到，此峰值电流只和效率，输出电流有关。在这里我们可以把在这里我们可以把I I看作是看作是的函数，对其求导得的函数，对其求导得:I.=-2/2. . 所以所以I I是递
19、减函数，其大致曲线如图是递减函数，其大致曲线如图 :LITE ON主主MOS耐压值的确定耐压值的确定 从变压器的电流波形可知从变压器的电流波形可知,电流在减少时会产生一个反电动势。电流在减少时会产生一个反电动势。在主在主MOS导通时有导通时有:V0高压高压=(/ ton)*L主主(电感特性电感特性)= / t= B * S *N B * S *N / ton(法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律)从中可以导出从中可以导出 B B=( V0高压高压 ton)/SN 在截止时在截止时,由法拉第电磁感应定律：由法拉第电磁感应定律：= =反反+ +漏漏= = / tr= B *S *N B *S *N
20、 / tr=( (V0高压高压 ton)/ tr上式变形后得上式变形后得;* tr=V0高压高压 ton(面积相等面积相等,tr包括泄磁阶段包括泄磁阶段,恢复阶段恢复阶段)同时在截止时同时在截止时,由二次测反加回一次侧的电压由二次测反加回一次侧的电压反反大小应为大小应为 反反= =V0*N这样在主这样在主MOS上产生的压降为上产生的压降为 V=V0高压高压+反反= =V0高压高压+ +V0*N在考虑主变压器的漏感时有下述方程：在考虑主变压器的漏感时有下述方程：漏漏=(=(I Ip/tr泄磁泄磁)*L漏漏LITE ON所以加在所以加在MOS管上的总压降是管上的总压降是V=V0高压高压+ +V0*
21、N+漏漏=V0高压高压+(V0/D主主)*N+(I (Ip/tr泄磁泄磁)*L漏漏又因为又因为反反应当相等，则应当相等，则 反反=( (V0高压高压 ton)/ tr-漏漏 1式式反反=V0*N2式式通过通过1,2两式可以得出两式可以得出 ton= =( (V0*N+漏漏)/V0高压高压* tr取取V0高压高压=390V,V0=12V,D主主=0.3385,N=11,Ip=1.537A,tr泄磁泄磁=2=2uS, uS, L L漏漏=30=30uHuH带入上式得带入上式得 ; ; V=390+389.9+23.055=802.955VV=390+389.9+23.055=802.955V LI
22、TE ON实际测得主实际测得主MOS管电压波形如图管电压波形如图(U=810V)LITE ON从从耐耐压压值值的的公公式式上上看看到到，这这个个高高压压和和输输出出电电流流的的大大小小有有一一定定的的关关系系，但但是是从从公公式式中中可可知知及及便便时时满满载载输输出出由由漏漏感感所所引引起起的的反反向向电电压压也也只只有有2323V.也也就就是是说说不不论论机机台台输输出出与与否否，只只要要处处在在工工作作之之中中，那那么主么主MOSMOS管就要承受压降。管就要承受压降。 主变压器泄磁波形主变压器泄磁波形LITE ONPFC电容的确定电容的确定由由电电容容的的定定义义式式C=Q Q / /
23、U, U, 所所以以只只需需确确定定Q Q ，U U即即可可。因因为为电电容容上上的的电电压压应应是是一一个个近近乎乎于于稳稳定定的的高高压压直直流流电电压压，但但实实际际上上是是一一个个直直流流量量和和交交流流量量的的迭迭加加如如图图,所所以以U应应对对应应于于交交流流电电压压在在MOS管管道道通通时的改变量。时的改变量。Q应对应于在应对应于在MOS管道通时改变的电量。管道通时改变的电量。LITE ON由由芯芯片片的的资资料料可可知知,当当脚脚感感应应到到I=37uA电电流流变变化化时时它它将将调调整整工工作作频频率率，从而使高压直流稳定。从而使高压直流稳定。LITE ON所以迭加在直流量上
24、的交流电压的表达式如下：所以迭加在直流量上的交流电压的表达式如下：U交交=IRsint t 对其求导可得到对其求导可得到U U=IR2f入入D/f主主Q=Y*D主主/(2f主主)=Io*(1-2)*D主主/(N2f主主)C=Q/U=(1-(1-2)*I0/(N/(N2IR2f入入)将将2=0.85,I0=12.5A（正正常常工工作作）,N=11,R=(2*511)K,f入入47Hz代代入入上式得到电容值为上式得到电容值为18.0327uF若取若取I0=17A,则对应的电容容值为则对应的电容容值为25.524uF.关机时间的确定关机时间的确定由由能能量量关关系系可可知知，电电容容上上消消耗耗的的
25、能能量量应应等等于于负负载载得得到到的的能能量量，随随着着电电容容上上电电压压的的下下降降，为为了了保保持持输输出出端端电电压压的的稳稳定定，MOS管管会会逐逐渐渐增增加加占占空空比比，但当占空比达到极大值但当占空比达到极大值。LITE ON时，便会出现电压下掉，如图时，便会出现电压下掉，如图: :可以推知在输出电压开始下掉时，电容上的电压应为可以推知在输出电压开始下掉时，电容上的电压应为U=NU0/D主主MAX=U0高压高压所以有：所以有：1/2C(U0高压高压2-U2)=U0I0T/化简可得化简可得T=U0高压高压2(1-2)C/(2U0I0)LITE ON说说明明:因因为为此此时时机机台
26、台以以无无交交流流电电输输入入，变变压压器器前前端端的的效效率率会会随随着着电电容容上上电电压压的的下下降降而而下下降降，所所以以上上面面的的公公式式中中取取值值为为1与与2的的平平均均值值。令令其为其为0.79.将将U0高压高压390V,=0.79,U0=12V,I0=12.5A,C=120uF代入上式得到关代入上式得到关机时间机时间T=18.067mS(实际测得实际测得17.98mS如图所示如图所示)LOAD:12.5ALITE ON可利用上式导出可利用上式导出C=(2TU0I0)/U02(1-)对对于于此此机机种种，规规格格要要求求HOLDUPTIME为为10mS.代代入入相相关关资资料
27、料可可得得HOLDUPTIME为为10Ms时的电容值大小应为时的电容值大小应为C=66.419uF讨论：讨论：由由T的的表表达达式式可可知知，T是是的的函函数数，也也即即关关机机时时间间的的大大小小和和有有着着一一定的关系，为此对定的关系，为此对T求导得：求导得：T=1-32令其等于零得到令其等于零得到T=(1/3)0.50.577当当T(1/3)0.5时时,函数递减，函数递减，当当T=(1/3)0.5时时,函数取得极值。函数取得极值。LITE ON草图如下草图如下内升式内升式OVP点的确定点的确定在在确确定定主主变变压压器器感感值值时时，由由Y的的关关系系式式导导出出了了主主MOS管管工工作作频频率率的的 极限值极限值DMAX= =U0N/2Uo高压高压.将有关数值代入得到将有关数值代入得到DMAX=0.3982.也就也就 是说次级侧所能达到的最高电压为是说次级侧所能达到的最高电压为U=U0高压高压*DMAX/N 将将U0高压高压390V,DMAX=0.3982,N=11代入得到代入得到U=14.118V.LITE ON为验证此为验证此數值數值的正确性的正确性,做了过压保护测试，波形如图做了过压保护测试，波形如图:(:(LOAD:5A)LOAD:5A)LITE ONLOAD:10A
