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  • 發布時間:2020-10-06 00:40 原文鏈接: 小于75W反激變換器的設計連載3(關鍵設計部分)

    我以我們的IC進行設計分析說明:

    基本的反激變換器原理圖如下所示,在需要對輸入輸出進行電氣隔離的低功率<75W~的開關電源應用場合,反激變換器(Flyback Converter)是最常用的一種拓撲結構(Topology)。簡單、可靠、低成本、易于實現是反激變換器突出的優點;接下來我將電源的關鍵部分的設計進行說明!

    前面已經弄清楚后,我們再來進行圍繞開關MOS的成本及可靠性方面;計算變壓器的關鍵參數,搞定FLY的主架構的設計!

    我的IC工作頻率67KHZ

    (我們的IC有多種頻率可選67KHZ/100KHZ/130KHZ等)

    目前的設計選擇為各廠家通用的工作頻率67KHZ;采用PWM+PFM控制模式,系統有較好的效率;較好的待機功耗等!

    在設計之前,我先來回復客戶常問我的一個問題:開關電源為什么常常選擇67K或者100K左右范圍作為開關頻率,有的人會說IC廠家都是生產這樣的IC,當然這也有原因。每個電源的開關頻率會決定什么?對于多年的IC及各廠家的IC應用研究,我提出我的看法:

    我們應該從這幾個方面去思考原因:

    A.有人說頻率高了EMC不好過,一般來說是這樣的,但這不是必然,

    EMC與頻率確實有關系,但不是必然。

    高頻率的IC的EMI我有經常指導客戶搞定它!

    B.先來想象我們的電源開關頻率提高了,直接帶來的影響是什么?

    注意:當然是MOS開關損耗增大,因為單位時間開關次數增多了。

    如果頻率減小了會帶來什么?開關損耗是減小了,但是我們的儲能器件單周期提供的能量就要增多,勢必需要的變壓器磁性要更大,儲能電感要更大了。

    選取在67K到100K左右就是一個比較合適的經驗折中,

    電源就是在折中合理化折中進行。

    目前市場上的大多數IC的功能及引腳定義都相同;通用的工作頻率及引腳定義為產品的通用設計帶來便利;提高了設計和同類產品的轉換機率!
    C.假如在特殊情形下,輸入電壓比較低,開關損耗已經很小了,還在乎這點開關損耗嗎,那我們就可以提高開關頻率,起到減小磁性器件體積的目的。
    D.我們使用過PI的電源IC;在未來追求系統成本,其開關頻率為132KHZ;可使用小的變壓器結構優化電源體積;

    注意:開關電源的頻率的選擇怎么做都可以,只要能合理使用。能給你的設計帶來高的設計可靠性及通用性;降低設計開發成本是最關鍵的!

    對于開關電源高頻方面的細節可參考文章:

    《未來高頻電源的設計思考!》

    進入正題

    FLY-開關電源的設計我們經常會工作在下圖示的狀態;DCM與CCM模式;

    FLY-反激變換器有兩種運行模式:電感電流連續模式(CCM)和電感電流斷續模式(DCM)。兩種模式各有優缺點,相對而言,DCM 模式具有更好的開關特性,次級整流二極管零電流關斷,因此不存在CCM 模式的二極管反向恢復的問題。

    此外,同功率等級下,由于DCM模式的變壓器比CCM 模式存儲的能量少,故DCM 模式的變壓器尺寸更小。但是,相比較CCM 模式而言,DCM 模式使得初級電流的RMS 增大,這將會增大MOS 管的導通損耗,同時會增加次級輸出電容的電流應力。

    因此,CCM 模式常被推薦使用在低壓大電流輸出的場合,DCM 模式常被推薦使用在高壓-小電流輸出的場合。

    對CCM 模式反激變換器而言,輸入到輸出的電壓增益僅僅由占空比決定。而DCM 模式反激變換器,輸入到輸出的電壓增益是由占空比和負載條件同時決定的,這使得DCM模式的電路設計變得更復雜。但是,如果我們在DCM 模式與CCM模式的臨界處(BCM 模式)、輸入電壓最低(Vinmin_DC)、滿載條件下,設計DCM 模式反激變換器,就可以使問題變得簡單化。于是,無論反激變換器工作于CCM 模式,還是DCM 模式,我們都可以按照CCM模式進行設計。

    我的設計 迭代計算結果如下:

    進行參數設計時;幾個關鍵參數參考下圖

    MOS 管關斷時,輸入電壓Vin 與次級反射電壓nVo 共同疊加在MOS的DS 兩端。最大占空比Dmax 確定后,反射電壓Vor(即nVo)、次級整流二極管承受的最大電壓VD 以及MOS 管承受的最大電壓Vdsmax,可由下式得到:

    通過上面公式,可知:

    Dmax 取值越小,Vor 越小,進而MOS 管的應力越小,

    然而,次級整流管的電壓應力卻增大。

    因此,我們應當在保證MOS 管的足夠裕量的條件下,盡可能增大Dmax,來降低次級整流管的電壓應力。

    Dmax的取值,應當保證Vdsmax不超過MOS管耐壓等級的80%;同時,對于峰值電流模式控制的反激變換器,CCM 模式條件下,當占空比超過0.5 時,會發生次諧波震蕩。綜合考慮,對于耐壓值為650V的MOS管,設計中,Dmax 不超過0.5 為宜。迭代計算相關數據請參考我的EXCEL計算表格!


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