基于PQ35的開關(guān)電源設(shè)計(jì)
1.引言
開關(guān)電源從上世紀(jì)50年代問(wèn)世至今以體積小、效率高而廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信裝備等幾乎所有的電子設(shè)備。其種類繁多、形式多樣，發(fā)展趨勢(shì)也朝著小體積、高效率、低成本的方向發(fā)展。這里介紹的3 00 W開關(guān)電源屬于(3)計(jì)算原、副邊繞組匝數(shù)比及副邊繞組
可按下式計(jì)算半橋式高頻變壓器的原、副邊匝數(shù)比：
式中
Np--原邊繞組匝數(shù)
Ns--副邊繞組匝數(shù)
Vi n mi n--最小輸入直流電壓，在交流1 9 0 V加載下約為1
90*1.3=247V。
V o p--變壓器應(yīng)輸出電壓，為電源輸出電壓Vo、整流二級(jí)管正向壓降Vdf和濾波電感直流壓降V L三項(xiàng)之和除以占空比D，即Vop=(Vo+Vdf十VL)/D。在本例中Vo=14V、V df="0".7V、VL。=0.2V、D=0.8，則 Vop=(1 4+0.7+0.2)/0.8=18.625V
則Np/Ns=1/2*247/18.625≈6.6。
副邊繞組Ns=NP/6.6=20/6.6≈ 3匝，在實(shí)驗(yàn)中2 0：3的匝比取得了很好的效果。
(4)線徑和根數(shù)的選取
原邊繞組電流為I p="2" P o/Vsη;
Po=Vop*22=14.9*22=327W;
Vsη=Vin min*η=247*98%=242.0 6，其中η為變壓器的效率;
則 I p="2"*3 2 7/2 4 2.0.6≈2.7A。
考慮趨膚效應(yīng)，在l00KHzl00℃下穿透深度為△=7.6 5/F1/2≈0.242mm[4]，2△=0.484mm， 應(yīng)選擇直徑不超過(guò)0.484mm的漆包線。考慮有漆的厚度，實(shí)際中選取了0.49mm
的高強(qiáng)度漆包線。
取電流密度J=6A/mm2，則單根o.49mm線徑漆包線可通過(guò)電流為：
I=JπD2/4=6*3.1 4*0.49*0.49/4≈1.1 3A
則初級(jí)可用3根并聯(lián)。次級(jí)為I p*Np/N s/I≈1 6根。因?yàn)榇渭?jí)的電流比較大(2 2A)，也可用銅箔繞制。
(5)高頻變壓器的繞制
高頻變壓器的繞制在制作開關(guān)電源過(guò)程中是很復(fù)雜的，當(dāng)功率管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí)，由漏感存儲(chǔ)的能量釋放會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰，容易造成器件的損壞、并且惡化效率，所以要盡量使變壓器的漏感降到最小。這里采用的是“三明治”繞法，即先繞初級(jí)的一半，再繞次級(jí)，然后繞初級(jí)的另一半。這樣初級(jí)將次級(jí)包在里面，可以增加耦合，減小漏感。另外采用多股線絞合的方法，在不同的截面，每一股線交換位置，有利于電流均衡;還可以增加線材的表面積，減小高頻電阻，有利于降低溫升。
3 0 0 W主功率高頻變壓器用0.4 9mm線徑高強(qiáng)度漆包線，初級(jí)用3根絞線后先繞最里面的1 0圈，纏2圈膠帶。接著繞中間的次級(jí)，用1 6根絞線后繞3圈，甩出中心抽頭，再按原方向繞3圈，這樣可在同一平面上繞完次級(jí)，只是中心抽頭的來(lái)回兩根線有些稍鼓出來(lái)一些，之后再纏2圈膠帶。然后繞初級(jí)的后1 0圈，纏3圈膠帶。繞制的時(shí)候應(yīng)盡量使線均勻分布，制作完成后測(cè)量電感量為初級(jí)1.27mH;兩個(gè)次級(jí)5 5μH。實(shí)踐證明，這樣繞制的變壓器漏感很小，原、副邊漏感只有幾個(gè)μH。
(6)驅(qū)動(dòng)變壓器的繞制
驅(qū)動(dòng)變壓器采用罐型磁芯P23/18，罐型磁芯的特點(diǎn)是在所有類型的磁芯中具有最好的磁屏蔽效果，但是也具有最差的散熱能力，因此比較適合用來(lái)制作小功率的驅(qū)動(dòng)變壓器。
驅(qū)動(dòng)變壓器用0.2mm線徑，單根。先繞高橋開關(guān)管的20圈，中間繞原邊的初級(jí)20圈，最后繞低橋開關(guān)管的20圈。這是另一種采用次級(jí)一初級(jí)一次級(jí)的繞法，同樣可以有效地減小漏感。制好后測(cè)量電感量大概有1.3mH左右。
(7)扼流圈的計(jì)算
扼流圈是開關(guān)電源二次輸出級(jí)主要功率器件，也是影響輸出電壓指標(biāo)的重要因素，過(guò)大的電感量會(huì)使輸出的動(dòng)態(tài)特性變差，而過(guò)小的電感量又會(huì)使輸出的紋波指標(biāo)率差，因此必須選取合適的電感量。粗略地可按下面公式計(jì)算：
式中
P――輸出功率;
F――開關(guān)頻率;
I――輸出電流。
則電感量為L(zhǎng)=2*P/f*I2=2*3 00/(1 00*1 03*2 22)，≈1 2 μ H。
3.紋波抑制和EHI
紋波和E M I是開關(guān)電源中的重要指標(biāo)，可以說(shuō)是直接評(píng)價(jià)制作電源好壞的標(biāo)志，因此紋波抑制和減小EM I是每個(gè)電源制作者都要絞盡腦汁去解決的。下面是300w電源的一些解決方法。
(1)300w開關(guān)電源在輸入級(jí)加入了EMI電源噪聲濾波器。電源EMI噪聲濾波器是一種無(wú)源低通濾波器，它無(wú)衰減地將交流電傳輸?shù)诫娫矗蟠笏p隨交流電傳入的E M I噪聲;同時(shí)又能有效地抑制電源設(shè)備產(chǎn)生的EM I噪聲，阻止它們進(jìn)入交流電網(wǎng)干擾其它電子設(shè)備，降低傳導(dǎo)搔擾。
(2)在輸出級(jí)加入了一級(jí)抑制紋波噪聲的共模扼流圈。使流出的電流和流回的電流在一個(gè)小磁環(huán)上產(chǎn)生相反的感應(yīng)磁通，使其相互抵消，極大地消除了輸出的高頻噪聲。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，未加共模扼流圈的輸出電壓用示波器會(huì)看到有20 0mVp-p的高頻噪聲，加入后只有十幾mVp-p。
(3)其它的抑制措施。包括在輸入級(jí)串接NT C防電網(wǎng)浪涌電阻、在功率開關(guān)管和輸出整流二極管以及高頻變壓器初級(jí)接入RC吸收網(wǎng)絡(luò)、使用超快恢復(fù)肖特基二極管等等，都可以有效地 減小電壓尖峰、抑制高頻噪聲。
4.結(jié)束語(yǔ)
3 00W開關(guān)電源是一款實(shí)用的半橋式硬開關(guān)電源，其效率達(dá)到85%，輸出紋波在交流2 20V輸入滿載(1 4 V、2 2 A)下只有80MVP-P，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，已在通信中繼臺(tái)上做過(guò)24小時(shí)老化實(shí)驗(yàn)，效果很好。其不足之處在于：由于是硬開關(guān)方式，效率沒(méi)有軟開關(guān)好。軟開關(guān)的效率一般在90%以上。
開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)在于主要核心器件的參數(shù)選擇上，理論計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)在實(shí)際中并不一定就能帶來(lái)好的效果。例如，主高頻變壓器的匝數(shù)比選擇，作者曾經(jīng)將匝數(shù)比調(diào)到18：14，結(jié)果每到兩分鐘開關(guān)管就燒毀了。所以，以理論為依據(jù)，從反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中獲得合理搭配將會(huì)提高效率并降低EMI干擾。
隔離型硬開關(guān)、半橋式開關(guān)電源，在較低電壓(1 4V)和較大電流(2 2A)輸出的條件下有很好的效率及輸出指標(biāo)，對(duì)核心器件(例如高頻變壓器)進(jìn)行了合理的參數(shù)及繞制工藝設(shè)計(jì)。
高頻變壓器是開關(guān)電源中核心能量轉(zhuǎn)換部件，它和普通工頻變壓器一樣也是通過(guò)磁耦合來(lái)傳輸能量的。不過(guò)在這種功率變壓器中實(shí)現(xiàn)磁耦合的磁路不是普通變壓器中的硅鋼片，而是在高頻情況下工作的磁導(dǎo)率較高的鐵氧體磁芯或鈹莫合金等磁性材料，其目的是為了獲得較大的勵(lì)磁電感、減小磁路中的功率損耗，使之能以最小的損耗和相位失真?zhèn)鬏斁哂袑掝l帶的脈沖能量[1]。
鐵氧體磁芯有EC、EE、EDT、EP、 EPC、 EF、 EI、 PQ、 RM、 P、LP等多種型號(hào)，應(yīng)用于各種不同的要求，其中PQ型磁芯具有磁屏蔽好的優(yōu)點(diǎn)，減小了電磁干擾(EMI)的傳播，特別適用于開關(guān)電源變壓器，在50W～1 000W范圍內(nèi)的效果較好。
2.用PQ35/35制作300W半橋式變換器高頻開關(guān)電源
2.1 300W(14V、22A)半橋式開關(guān)電源原理圖
3 00 W(1 4 V、 2 2 A)半橋式開關(guān)電源原理圖如圖1所示。由原理圖可看出，3 00 W半橋式開關(guān)電源主要由兩只功率管IRFP460LC、高頻變壓器PQ35/35(PC40材質(zhì))、輸出整流濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、控制電路(篇幅所限本圖未給出)以及輔助電源等組成。
關(guān)于半橋式開關(guān)電源原理許多書籍已詳細(xì)說(shuō)明，本文不再嗷述，下面詳細(xì)說(shuō)明高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)和繞制工藝
2.2 300W半橋式開關(guān)電源高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)與繞制
半橋式高頻變壓器的磁化特性工作在第一、三象限，磁通變化從一Bm到+Bm，屬于對(duì)稱式工作變壓器，無(wú)需加氣隙。
(1)估算PQ35磁芯的功率容量
開關(guān)電源變壓器功率容量計(jì)算式為[2]：
式中
PT--變壓器的視在功率，對(duì)于半橋式PT=(1/ η+1.4 1 4)P。，其中取效率η=8 5%，Po=300W， 則PT=777w;
Ko--窗口的銅填充系數(shù)，取0.5：
Kf--波形系數(shù)，方波時(shí)取4;
Fw--開關(guān)頻率，本例為1 00KHz：
Bw--磁芯工作磁通密度，一般取1/3飽和磁通密度，本例采用P C 4 0材質(zhì)，飽和磁密G s="0".39T(1 00℃)， 取Bw=0.1 3T：
Kj--電流密度比例系數(shù)，一般取400：
X--常數(shù)，由所選磁芯確定，可取一0.1 2。
則A P=(7 7 7*1 04/0.5*4*1 00*1 03*0.1 3*4 00)1.14≈0.72cm4。
也可以由下式計(jì)算[3]：
式中
Pt--變壓器的標(biāo)稱輸出功率,可取1.5Po為450W;
η--變壓器的效率,這里取85%：
f--開關(guān)頻率，本例為1 00KH z：
Bm--磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，取1 500GS：
δ--漆包線的電流密度，1 00KHz頻率可取6A/mm2：
Km--窗口的銅填充系數(shù)，取0.5：
Kc--磁芯填充系數(shù)，可取1.0。
則A P="4" 5 0*1 06/(2*0.8 5*1 00*1 03*1 5 00*4*0.5*1)≈0.59cm4。
而查表P Q 3 5/3 5的A P="4".3 c m4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足功率容量要求，之所以選PQ35也是為以后加大輸出功率做準(zhǔn)備。
(2)計(jì)算原邊繞組匝數(shù)
原邊繞組匝數(shù)可由下面公式計(jì)算：
式中
Kf--波形系數(shù)，方波時(shí)取
Pt--變壓器的標(biāo)稱輸出功 4;率，可取1.5Po為4sow;
Fw--開關(guān)頻率，本例為η1--變壓器的效率，這里 1ooKH z：
Bw--磁芯工作磁通密度，取0.1 3T;
Ae-- 磁芯有效面積，PQ35/35為196mm2;
V--變壓器原邊電壓，本例中V=250*1.3/2=1 62.5V。
則Np=1 6 2.5/4*1 00*1 08*0.1 3*1 9 6*1 0-6≈ 1 5.9，取整1 6匝。后來(lái)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，取20匝比較合適。
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