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干货电源模块路设计的全过程含原理图

标签:干货,电源,模块,设计,全过,全过程,过程,原理 时间:2019年09月04日 阅读5
【导读】开关电源模块源的设计是一份特别很是耗时辛苦的苦差事,必要赓续地修正多个设计变量,直到性能达到设计目标为止。本文step-by-step 介绍反激变换器的设计步骤,并以一个6.5W 隔离双路输出的反激变换器设计为例,主控芯片采用NCP1015。   反激变换器设计笔记   1、概述   开关电源模块源的设计是一份特别很是耗时辛苦的苦差事,必要赓续地修正多个设计变量,直到性能达到设计目标为止。本文step-by-step 介绍反激变换器的设计步骤,并以一个6.5W 隔离双路输出的反激变换器设计为例,主控芯片采用NCP1015。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   基本的反激变换器原理图如图 1 所示,在必要对输入输出进行电源模块气隔离的低功率(1W~60W)开关电源模块源应用场合,反激变换器(Flyback Converter)是最常用的一种拓扑结构(Topology)。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器凸起的好处。   2、设计步骤   干货电源模块路设计的全过程含原理图   接下来,参考图 2 所示的设计步骤,一步一步设计反激变换器   1.Step1:初始化体系参数   ------输入电源模块压范围:Vinmin_AC 及Vinmax_AC   ------电源模块网频率:fline(国内为50Hz)   ------输出功率:(等于各路输出功率之和)   干货电源模块路设计的全过程含原理图   ------初步估计变换器服从:η(低压输出时,η取0.7~0.75,高压输出时,η取0.8~0.85)根据预估服从,估算输入功率:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   对多路输出,定义KL(n)为第n 路输出功率与输出总功率的比值:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   单路输出时,KL(n)=1.   干货电源模块路设计的全过程含原理图   2. Step2:确定输入电源模块容Cbulk   Cbulk 的取值与输入功率有关,通常,对于宽输入电源模块压(85~265VAC),取2~3μF/W;对窄范围输入电源模块压(176~265VAC),取1μF/W 即可,电源模块容充电源模块占空比Dch 一样平常取0.2 即可。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   一样平常在整流后的最小电源模块压Vinmin_DC 处设计反激变换器,可由Cbulk 计算Vinmin_DC:   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   3. Step3:确定最大占空比Dmax   反激变换器有两种运行模式:电源模块感电源模块流延续模式(CCM)和电源模块感电源模块流断续模式(DCM)。两种模式各有优瑕玷,相对而言,DCM 模式具有更好的开关特征,次级整流二极管零电源模块流关断,因此不存在CCM 模式的二极管反向恢复的题目。此外,同功率等级下,因为DCM模式的变压器比CCM 模式存储的能量少,故DCM 模式的变压器尺寸更小。但是,相比较CCM 模式而言,DCM 模式使得初级电源模块流的RMS 增大,这将会增大MOS 管的导通损耗,同时会增长次级输出电源模块容的电源模块流应力。因此,CCM 模式常被保举使用在低压大电源模块流输出的场合,DCM 模式常被保举使用在高压 小电源模块流输出的场合。   干货电源模块路设计的全过程含原理图 图 4 反激变换器   对CCM 模式反激变换器而言,输入到输出的电源模块压增益仅仅由占空比决定。而DCM 模式反激变换器,输入到输出的电源模块压增益是由占空比和负载条件同时决定的,这使得DCM 模式的电源模块路设计变得更复杂。但是,假如我们在DCM 模式与CCM 模式的临界处(BCM 模式)、输入电源模块压最低(Vinmin_DC)、满载条件下,设计DCM 模式反激变换器,就可以使题目变得简单化。于是,无论反激变换器工作于CCM 模式,照旧DCM 模式,我们都可以按照CCM模式进行设计。   如图 4(b)所示,MOS 管关断时,输入电源模块压Vin 与次级反射电源模块压nVo 共同叠加在MOS的DS 两端。最大占空比Dmax 确定后,反射电源模块压Vor(即nVo)、次级整流二极管承受的最大电源模块压VD 以及MOS 管承受的最大电源模块压Vdsmax,可由下式得到:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   通过公式(5)(6)(7),可知,Dmax 取值越小,Vor 越小,进而MOS 管的应力越小,然而,次级整流管的电源模块压应力却增大。因此,我们应当在保证MOS 管的充足裕量的条件下,尽可能增大Dmax,来降低次级整流管的电源模块压应力。Dmax 的取值,应当保证Vdsmax 不超过MOS管耐压等级的80%;同时,对于峰值电源模块流模式控制的反激变换器,CCM 模式条件下,当占空比超过0.5 时,会发生次谐波震动。综合考虑,对于耐压值为700V(NCP1015)的MOS管,设计中,Dmax 不超过0.45 为宜。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   4. Step4:确定变压器初级电源模块感Lm   对于CCM 模式反激,当输入电源模块压转变时,变换器可能会从CCM 模式过渡到DCM 模式,对于两种模式,均在最恶劣条件下(最低输入电源模块压、满载)设计变压器的初级电源模块感Lm。由下式决定:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   其中,fsw 为反激变换器的工作频率,KRF 为电源模块流纹波系数,其定义如下图所示:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   对于DCM 模式变换器,设计时KRF=1。对于CCM 模式变换器,KRF<1,此时,KRF 的取值会影响到初级电源模块流的均方根值(RMS)武汉网页设计,KRF 越小,RMS 越小,MOS 管的损耗就会越小,然而过小的KRF 会增大变压器的体积,设计时必要反复衡量。一样平常而言,设计CCM 模式的反激变换器,宽压输入时(90~265VAC),KRF 取0.25~0.5;窄压输入时(176~265VAC),KRF 取0.4~0.8 即可。   一旦Lm 确定,流过MOS 管的电源模块流峰值Idspeak 和均方根值Idsrms 亦随之确定:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   其中:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   设计中,需保证Idspeak 不超过选用MOS 管最大电源模块流值80%,Idsrms 用来计算MOS 管的导通损耗Pcond,Rdson 为MOS 管的导通电源模块阻。   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   5. Step5:选择合适的磁芯以及变压器初级电源模块感的匝数   开关电源模块源设计中,铁氧体磁芯是应用最广泛的一种磁芯,可被加工成多种外形,以知足不同的应用需求,如多路输出、物理高度、优化成本等。   现实设计中,因为充满太多的变数,磁芯的选择并没有特别很是严酷的限定,可选择的余地很大。其中一种选型体例是,我们可以参看磁芯供给商给出的选型手册进行选型。假如没有合适的参照,可参考下表:   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   选定磁芯后,通过其Datasheet 查找Ae 值,及磁化曲线,确定磁通摆幅△B,次级线圈匝数由下式确定:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   其中,DCM 模式时,△B 取0.2~0.26T;CCM 时,△B 取0.12~0.18T。   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   6. Step6:确定各路输出的匝数   先确定主路反馈绕组匝数,其他绕组的匝数以主路绕组匝数作为参考即可。主反馈回路绕组匝数为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   则其余输出绕组的匝数为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   辅助线圈绕组的匝数Na 为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   7. Step7:确定每个绕组的线径   根据每个绕组流过的电源模块流RMS 值确定绕组线径。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   初级电源模块感绕组电源模块流RMS:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   次级绕组电源模块流RMS 由下式决定:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   ρ为电源模块流密度,单位:A/mm2,通常,当绕组线圈的比较长时(>1m),线圈电源模块流密度取5A/mm2;当绕组线圈长度较短时,线圈电源模块流密度取6~10A/mm2。当流过线圈的电源模块流比较大时,可以采用多组细线并绕的体例,以减小集肤效应的影响。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   其中九寨沟酒店住宿,Ac 是所有绕组导线截面积的总和,KF 为添补系数,一样平常取0.2~0.3.   检查磁芯的窗口面积(如图 7(a)所示),大于公式 21 计算出的效果即可。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   8. Step8:为每路输出选择合适的整流管   每个绕组的输出整流管承受的最大反向电源模块压值VD(n)和均方根值IDrms(n)如下:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   选用的二极管反向耐压值和额定正领导通电源模块流需知足:   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   9. Step9:为每路输出选择合适的滤波器   第n 路输出电源模块容Cout(n)的纹波电源模块流Icaprms(n)为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   选取的输出电源模块容的纹波电源模块流值Iripple 需知足:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   输出电源模块压纹波由下式决定:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   偶然候,单个电源模块容的高ESR,使得变换器很难达到我们想要的低纹波输出特征,此时可通过在输出端多并联几个电源模块容,或加一级LC 滤波器的方法来改善变换器的纹波噪声。细致:LC 滤波器的迁移转变频率要大于1/3 开关频率,考虑到开关电源模块源在现实应用中可能会带容性负载,L 不宜过大,建议不超过4.7μH。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   10. Step10:钳位吸取电源模块路设计   如图 8 所示,反激变换器在MOS 关断的瞬间,由变压器漏感LLK 与MOS 管的输出电源模块容造成的谐振尖峰加在MOS 管的漏极,假如不加以限定,MOS 管的寿命将会大打扣头。因此必要采取措施,把这个尖峰吸取掉。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   反激变换器设计中,常用图 9(a)所示的电源模块路作为反激变换器的钳位吸取电源模块路(RCD钳位吸取)。   RClamp 由下式决定,其中Vclamp 一样平常比反射电源模块压Vor 高出50~100V,LLK 为变压器初级漏感,以实测为准:   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图 图 9 RCD 钳位吸取   CClamp 由下式决定,其中Vripple 一样平常取Vclamp 的5%~10%是比较合理的:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   输出功率比较小(20W 以下)时,钳位二极管可采用慢恢复二极管,如1N4007;反之,则必要使用快恢复二极管。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   11. Step11:补偿电源模块路设计   开关电源模块源体系是典型的闭环控制体系,设计时,补偿电源模块路的调试占有了相称大的工作量。目前流行于市面上的反激控制器,绝大多数采用峰值电源模块流控制控制模式。峰值电源模块流模式反激的功率级小旌旗灯号可以简化为一阶体系,所以它的补偿电源模块路容易设计。通常,使用Dean Venable提出的Type II 补偿电源模块路就充足了。   在设计补偿电源模块路之前,首先必要考察补偿对象(功率级)的小旌旗灯号特征。   如图8 所示,从IC 内部比较器的反相端断开,则从控制到输出的传递函数(即控制对象的传递函数)为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   附录分别给出了CCM模式和DCM模式反激变换器的功率级传递函数模型。NCP1015工作在DCM 模式大专文凭,从控制到输出的传函为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   其中:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   Vout1 为主路输出直流电源模块压,k 为偏差放大器输出旌旗灯号到电源模块流比较器输入的衰减系数(对NCP1015 而言,k=0.25),m 为初级电源模块流上升斜率河北人事考试信息网,ma 为斜坡补偿的补偿斜率(因为NCP1015内部没有斜坡补偿,即ma=0),Idspeak 为给定条件下初级峰值电源模块流。于是我们就可以使用Mathcad(或Matlab)绘制功率级传函的Bode 图:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   在考察功率级传函Bode 图的基础上,我们就可以进行环路补偿了。   前文提到,对于峰值电源模块流模式的反激变换器,使用Dean Venable Type II 补偿电源模块路即可,典型的接线体例如下图所示:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   通常,为降低输出纹波噪声,输出端会加一个小型的LC 滤波器,如图 10 所示,L1、C1B 构成的二阶低通滤波器会影响到环路的稳固性,L1、C1B 的引入,使变换器的环路分析变得复杂,不但影响功率级传函特征,还会影响补偿网络的传函特征。然而,建模分析后可知:假如L1、C1B 的迁移转变频率大于带宽fcross 的5 倍以上,那么其对环路的影响可以忽略不计,现实设计中,建议L1 不超过4.7μH。于是我们简化分析时,直接将L1直接短路即可,推导该补偿网络的传递函数G(s)为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   其中:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   CTR 为光耦的电源模块流传输比,Rpullup 为光耦次级侧上拉电源模块阻(对应NCP1015,Rpullup=18kΩ),Cop 为光耦的寄生电源模块容,与Rpullup 的大小有关。图 13(来源于Sharp PC817 的数据手册)是光耦的频率相应特征,可以看出,当RL(即Rpullup)为18kΩ时,将会带来一个约2kHz左右的极点,所以Rpullup 的大小会直接影响到变换器的带宽。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   k Factor(k 因子法)是Dean Venable 在20 世纪80 年代提出来的,提供了一种确定补偿网络参数的方法。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   如图 14 所示,将Type II 补偿网络的极点wp 放到fcross 的k 倍处,将零点wz 放到fcross的1/k 处。图 12 的补偿网络有三个参数必要计算:RLed,Cz,Cpole,下面将用k Factor 计算这些参数:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   -------确定补偿后的环路带宽fcross:通过限定动态负载时(△Iout)的输出电源模块压过冲量(或下冲量)△Vout,由下式决定环路带宽:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   -------考察功率级的传函特征,确定补偿网络的中频带增益(Mid-band Gain):   干货电源模块路设计的全过程含原理图   -------确定Dean Venable 因子k:选择补偿后的相位裕量PM(一样平常取55°~80°),由公式 32 得到fcross 处功率级的相移(可由Mathcad 计算)PS,则补偿网络必要提拔的相位Boost 为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   则k 由下式决定:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   -------补偿网络极点(wp)放置于fcross 的k 倍处,可由下式计算出Cpole:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   -------补偿网络零点(wz)放置于fcross 的1/k 倍处,可由下式计算出Cz:   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   3 仿真验证   计算机仿真不仅可以庖代体系的很多繁琐的人工分析,减轻劳动强度,避免由于解析法在近似处理中带来的较大偏差,还可以与实物调试相互增补,最大限度的降低设计成本,缩短开发周期。   本例采用经典的电源模块流型控制器UC3843(与NCP1015 控制原理类似),搭建反激变换器。其中,变压器和环路补偿参数均采用上文的范例给出的计算参数。   仿真测试条件:低压输入(90VAC,双路满载)   1.原理图   干货电源模块路设计的全过程含原理图 图 17 仿真原理图   2. 瞬态旌旗灯号时域分析   干货电源模块路设计的全过程含原理图   从图 18 可以看出,最低Cbulk 上的最低电源模块压为97.3V,与理论值98V 大致符合。   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   3. 交流旌旗灯号频域分析   干货电源模块路设计的全过程含原理图 干货电源模块路设计的全过程含原理图   干货电源模块路设计的全过程含原理图   4. 动态负载波形测试   测试条件:低压输入,满载,主路输出电源模块流0.1A---1A---0.1A,间隔2.5ms,测试输出电源模块压波形。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   4 PCB 设计引导   1. PCB layout—大电源模块流环路围困的面积应极可能小,走线要宽。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   2. PCB layout—高频(di/dt、dv/dt)走线   a. 整流二级,钳位吸取二极管,MOS 管与变压器引脚,这些高频处,引线应尽可能短,layout 时避免走直角;   b. MOS 管的驱动旌旗灯号,检流电源模块阻的检流旌旗灯号,到控制IC 的走线距离越短越好;   c. 检流电源模块阻与MOS 和GND 的距离应尽可能短。   干货电源模块路设计的全过程含原理图   3. PCB layout—接地   初级接地规则:   a. 所有小旌旗灯号GND 与控制IC 的GND 相连后,连接到Power GND(即大旌旗灯号GND);   b. 反馈旌旗灯号应自力走到IC,反馈旌旗灯号的GND 与IC 的GND 相连。   次级接地规则:   a. 输出小旌旗灯号地与相连后,与输出电源模块容的的负极相连;   b. 输出采样电源模块阻的地要与基准源(TL431)的地相连。     干货电源模块路设计的全过程含原理图   5. PCB layout—实例   干货电源模块路设计的全过程含原理图   6、总结   本文细致介绍了反激变换器的设计步骤,以及PCB 设计时应当细致的事项,并采用软件仿真的体例验证了设计的合理性。同时,在附录部分,分别给出了峰值电源模块流模式反激在CCM 模式和DCM 模式工作条件下的功率级传递函数。   附录:峰值电源模块流模式功率级小旌旗灯号   对CCM 模式反激,其控制到输出的传函为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   峰值电源模块流模式的电源模块流内环,本质上是一种数据采集体系,功率级传函由两部分Hp(s)和Hh(s)串联组成,其中   干货电源模块路设计的全过程含原理图   Hh(s)为电源模块流环电源模块流采样形成的二阶采样环节(由Ray Ridley 提出):   干货电源模块路设计的全过程含原理图   其中:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   上式中,PO 为输出总功率,k 为偏差放大器输出旌旗灯号到电源模块流比较器输入的衰减系数,Vout1 为反馈主路输出电源模块压,Rs 为初级侧检流电源模块阻,D 为变换器的占空比,n 为初级线圈NP与主路反馈线圈Ns1 的匝比,m 为初级电源模块流上升斜率,ma 为斜坡补偿的补偿斜率,Esr 为输出电源模块容的等效串联电源模块阻,Cout 是输出电源模块容之和。   细致:CCM 模式反激变换器,从控制到输出的传函,由公式 40 可知,有一个右半平面零点,它在提拔幅值的同时,带来了90°的相位衰减,这个零点不是我们想要的,设计时应保证带宽频率不超过右半平面零点频率的1/3;由公式 41 可知,假如不加斜坡补偿(ma=0),当占空比超过50%时,电源模块流环震动,体现为驱动大小波,即次谐波震动。因此,设计CCM 模式反激变换器时,需加斜坡补偿。   对DCM 模式反激,控制到输出的传函为:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   其中:   干货电源模块路设计的全过程含原理图   Vout1 为主路输出直流电源模块压,k 为偏差放大器输出旌旗灯号到电源模块流比较器输入的衰减系数,m为初级电源模块流上升斜率,ma 为斜坡补偿的补偿斜率,Idspeak 为给定条件下初级峰值电源模块流。   来源:电源模块子工程专辑    

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