如何設計一個正激式開關電源,就像我們之前說的研發首先提出需求,然后根據具體情況來進行設計,那我們就以一款簡單的 5.5V/20A 的來作為例子說明一下正激式開關電源的設計流程和各個參數的計算。
簡易圖紙如下圖所示:
首先我們要明確電源的一些技術指標:輸入電壓:Vin=220V;電壓變化范圍:106~235V;輸入頻率:f=50Hz;輸出電壓:Uo=5.5V;滿載電流:Io=20A;輸出功率 Po=110W。
我們由工作的頻率可以計算出電源的周期 T=1/f=5uS;對于正激式開關電源,我們一般占空比的范圍為 40%~45%之間,那我們就選擇 45%來計算,可以得到最大導通時間 Ton(max)=5*0.45=2.25uS。
接著我們要計算變壓器的二次繞組輸出電壓和匝數比,從上圖的簡易圖我們可以看出在開關管導通時,變壓器二次繞組電壓 U2 等于輸出電壓 Uo 加上電感消耗電壓 UL 再加上二極管 VD1 消耗的電壓 UF,所以我們可以簡單的將變壓器二次繞組的輸出最低電壓寫成:U2(min)=(Uo+UL+UF)*T/Ton=(5.5+0.3+0.5)*5/2.25=14V。
由于正激式變壓器只起到傳輸能量的作用,所以我們可以認為一次繞組繞組 N1 和二次繞組 N2 的比值等于變壓器的一次繞組電壓 U1 和二次繞組 U2 的比值,可以寫成 N=U1/U2;根據我們的上面的輸出電壓范圍在 106V~235V 之間,我們可以得到 U1=200~350V;所以我們可以取 U1(min)=200V,所以 N=200/14=14.3。
由 N=U1(min)/U2(min)及 U2(min)=(Uo+UL+UF)*T/Ton 我們可以得到 N=U1(min)*D(max)/(Uo+UL+UF);又因為變壓器的一次繞組匝數 N1 和磁通密度之間存在以下關系:N1>=(U1(min)*Ton(max)*10000)/(Bm*S);根據輸出功率與磁芯尺寸之間的關系,我們選擇 EI-28 磁芯;其有效橫截面積 S=85 平方毫米;磁通密度在 100°C 下時 Bm=3000 高斯,但是因為我們設計的電源是正激式,屬于單向激勵,所以要預留磁復位的余量,所以我們取 Bm=2000 高斯。
將數據代入上式中,我們可以得到 N1=26.5,我們取 27 匝,根據 N2=N1/N 得到 N2=2 匝;。
再根據計算出來的匝數,我們可以得到準確占空比 D(max)=(Uo+UL+UF)*N/U1(min)=(5.5+0.5+0.3)*13.5/200=42.5%;也就是說變壓器的一次繞組 N1=27,二次繞組 N2=2;電源最大占空比 D(max)=0.425;開關管最大導通時間 Ton(max)=2.1uS;二次繞組輸最低電壓 U2(min)=14.8V。
接下來就要計算輸出電感 L1 電感量 L=[【U2(min)-(UF+Uo)】*Ton(max)]/IL;因為輸出電流 Io=20A;一般我們選擇的流過電感的電流 IL 為輸出電流 Io 的 10%~30%;我們取中間值 20%,那么流過電感的電流 IL=0.2*20=4A;將 4A 代入上式,可以算出電感量 L=(14.8-0.5-5.5)*2.1/4=4.6uH。
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