90%效率反激电源深究-电容电感篇

2015-03-23 20:17:42来源: 互联网
对于电源老鸟来说,接触的设计多了,就会形成一套自己的独特手法和习惯,随着经验的增长,这将形成一种良性的循环。而对于新手来说,寻找到一个合适的切入点都是比较困难的,更谈不上形成这种良性的循换了。但是这个阻碍新手进步的问题将被解决。本系列文章以反激电源设计为切入点,深究这种电源的设计手法并对其中的原理进行细致的讲解,对良好的设计习惯进行培养。

  为了达到较为明显的演示效果,本篇文章当中使用的参数规格都是比较夸张的。输入要求:AC90~275V,输出5V~40A。 一个200W的反激式电源,(这么大的电源不一定能够通过EMC,因为漏感和反激式的工作模式问题使大功率反激式EMC比较难过)。 因为这个电源电压不高,电流大,次级整流的损耗大,估计按照此方法设计出来效率90%,一般输出电压越高的效率越好。

  接下来说一下要用到的电源设计软件。

  1.SMPS Cal: 这是一款电源计算工具,用来做综合评估,比如选择什么拓补结构,需要用多大磁芯,电容容量,电流有效值,峰值这些。先让自己心里有个大概。

  2.saber 2007 这个是一款仿真软件,设计电源的时候用这个来仿真原理性问题,仿真的最多的是开环性仿真。

  3.PExprt:这是一款ansys里面的变压器设计软件,比较好用,和实际的吻合度高。

  本篇文章主要对电解电容进行讲解,并且使用saber来进行适当的辅助讲解。后期的难点将会是变压器部分。

  芯片选用BO5269D,这款芯片频率是65K,我们先用工具来看下需要多大磁芯,因为没有特殊要求,用EE磁芯来设计这款电源。

  计算出来是30000立方毫米,这个是参考设计,不是真正的定型,所以我们初选黄色标中的3款磁芯,自己心里面现在对磁芯有个大概的了解了。  然后我们打开反激式算法面,输入相关参数,再来看看电路部分,变压器部分是个大概什么情况,让自己心里面对这款即将设计的电源有个了解。但是不是按照这个参数来设计,不然这个产品设计出来都不知道怎么死的。到这里,都是没什么技术含量的事情,但是却是整个设计的基础和宏观架构。

  初级的电解电容是储能电容,用于在电源工作时提供能量,因此在市电正弦波上升的时候给电容充电,下降沿的时候靠电容给变压器提供能量。这时候就涉及到一个电容的波谷电压。电源就是通过这个波谷电压来选择电容容量的。

  图1

  通过波谷电压来算电容容量算是设计上的一种习惯,一般波谷电压取100V电压温升不会超过40度(温升是电容温度-室温)。但是也有选择70V甚至60V的,电容温度一般都跑到了90度以上(此处不是指温升)。波谷电压也是计算变压器的最小电压。基本上同一个电路电容波谷电压月底,电容温升越高。电解电容的寿命现在基本上都按照比标准温度降低10度,电容寿命增加一倍来估计电解电容寿命。实际工作中用这个方法是可行的。电容的计软结果:

  Saber的仿真

  现在用saber来仿真电容的ESR参数特性,目前只仿出来了电容的ESR滤波特性,先看理想电容的频率特性:

  图2

  图3

  加入电容寄生电感后特性(包含PCB线路所产生的电感,设计时需要考虑),电容滤波就是靠这个特性的。后面会在仿真下数字电路和电源电路ESR的影响。

  图4

  图5

  电容的ESR

  电解电容的ESR数电和模电中的特性不多说,直接来说ESR在电源中展现出来的特性。在电源中ESR绝对不是正切值计算出来那么简单的,展现出来的特性是比较复杂的。还是用saber来把ESR的特性仿真出来。下面的图中给出理想电容仿真结果,以便对比。理想电容的波形是很漂亮的。

  图6

  图7

  图8

  图9

  图10

  图11

  图10是整流二极管的电流特性,图11是ESR的仿真原理图,最后总结下ESR特性。

  图12

  另外,现在有些电源要测试连接电源时的冲击电流,660uf电容的冲击电流见图12,达到了90A,实际做方案的时候需要考虑做开机启动。

  通过上面的仿真,总结出来电解电容在电源中特性:

  二极管给电容充电时的损耗(主要是寄生电阻损耗):从图12看出,市电在超过电解电容谷底电压时充电,充电电流集中在这一段区域,电流很大,频率低而且是正弦波,寄生电感可以忽略;

  mos开启寄生电阻损耗:这个损耗就是在对变压器储能的时候,寄生电阻对电流损耗;

  mos开启寄生电感储能损耗:这个损耗就是在对变压器储能的时候,整个回路的电感都会储能;

  mos关断寄生电感能量释放:这个能量释放会产生噪音,影响EMC,所以很多电源电解电容旁边并联个麦拉电容吸收这个能量;

  所以电解电容在电源中叫滤波电容是针对市电而言的,对变换器来讲,电容却变成了一个损耗器件并会产生谐波。关于整流二极管的损耗,这里顺便说一下,0.7V是指PN结的门槛电压,不是指二极管导通的时候总电压,两边的硅半导体依然有其电阻率,所以二极管的电压是0.7V+I^2R(R为引脚电阻和硅半导体电阻)。因此选用电流更大的二极管其寄生电阻更小(因为硅半导体宽度变宽)。

  至于saber的仿真,其实是在仿真例子电源。5V40A做到90%效率难度是高的,所以必须的掌控好电源的每一个细节才能做到。只要把器件的寄生参数设计的合理,整个电源的效率在仿真阶段就可以检讨了。

  在对高效率设计不断地追求过程中,其实更多的是在寻找一种全新的设计手法,重视从实际产品入手,凭借经验逐步进行调试来完成设计。这样的设计方式比死磕书本和用公式推算来的有效率,并且随着技术的发展,在未来将有更多的工具诞生来辅助我们进行设计和定位。

关键字:反激电源

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2015/0323/article_25970.html
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