從老電源設(shè)計(jì)工程師談:反激變壓器設(shè)計(jì)攻略
發(fā)布時(shí)間:2015-03-06 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】本篇文章將是從事電源設(shè)計(jì)的童鞋們一個(gè)不錯(cuò)的開始,從一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)者角度,對(duì)反激變壓器的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)計(jì),以及設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了梳理和分析,這對(duì)初學(xué)者來說是有很大的價(jià)值的。
反激電源由于體積小、成本低、電路簡單的特點(diǎn),受到設(shè)計(jì)者的追捧。很多初學(xué)者也選擇了反激變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)方面的學(xué)習(xí)起點(diǎn)和研究對(duì)象,但是網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于反激變壓器的學(xué)習(xí)資料五花八門且比較零散,本文就將對(duì)反激變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行從頭到尾的梳理,將零散的知識(shí)進(jìn)行整合,并配上相應(yīng)的分析,幫助大家盡快掌握。
設(shè)計(jì)流程
確認(rèn)基本技術(shù)參數(shù)
溫馨提示:應(yīng)該養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣,不管產(chǎn)品的功率有多么小,技術(shù)多么簡單,堅(jiān)持為每一個(gè)產(chǎn)品制作出一份詳細(xì)的技術(shù)規(guī)格書。首先要弄清楚自己是要做一個(gè)什么樣子的產(chǎn)品,這會(huì)讓設(shè)計(jì)思路更加明確,以及如何展開下一步的工作。
技術(shù)參數(shù)分兩種:基本的與詳細(xì)的。
基本技術(shù)參數(shù)一般需要列舉的如下(以60W產(chǎn)品為例):
最小輸入電壓:85VAC;
最大輸入電壓:265VAC;
輸出電壓電流:12V5A(精度1%);
最低效率:85%;
工作溫度:-25~+60℃;
詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)比較麻煩,根據(jù)不同的情況不同,需要列舉的參數(shù)有多又少。一般包括:輸入輸出特性、保護(hù)特性、安規(guī)、EMC、可靠性、應(yīng)用環(huán)境、產(chǎn)品尺寸、輸入輸出端口定義、產(chǎn)品標(biāo)簽、外殼標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝等等。
輸入輸出特性
輸入電壓范圍、輸入頻率、功率因素、最大輸入電流、沖擊電流、輸出電壓范圍、輸出電流范圍、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、穩(wěn)壓精度、紋波峰峰值、整機(jī)效率、待機(jī)功耗、開機(jī)延遲時(shí)間、輸出電壓上升時(shí)間、容性負(fù)載、開關(guān)機(jī)過沖幅度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅度、以及最小啟動(dòng)電壓。
保護(hù)特性
輸入欠壓保護(hù)點(diǎn)、輸入欠壓恢復(fù)點(diǎn)、輸入過壓保護(hù)點(diǎn)、輸入過壓恢復(fù)點(diǎn)、輸出過壓保護(hù)點(diǎn)、輸出短路保護(hù)方式、過溫保護(hù)點(diǎn)、過溫恢復(fù)點(diǎn)。
溫馨提示:對(duì)于一些非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,如果不清楚該列舉那些參數(shù),建議參考競爭對(duì)手的產(chǎn)品資料或者行業(yè)內(nèi)最有影響力的供應(yīng)商。如果這些資料都沒有,就盡量向標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)靠近。
設(shè)計(jì)思路(制定設(shè)計(jì)方案與參考計(jì)算)
根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格找出設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決措施
溫馨提示:如果你想最大程度的避免失敗。設(shè)計(jì)方案應(yīng)該在立項(xiàng)初期就經(jīng)過廣泛的內(nèi)部討論,到底選用什么方案(如特別功率器件、電容、芯片),多聽取周圍人的意見,久而久之一定受益匪淺。因?yàn)榱㈨?xiàng)前期一般是非正式討論,如果是新手,一定要避免占用別人過多的時(shí)間。
開關(guān)芯片選哪家的?EMI電路如何配置?輸入電容取多少?開關(guān)頻率?MOS如何選?二極管?磁芯?輸出電容?好多人在這一步不知如何往下走,下一步將重點(diǎn)分析。
12V5A,通用輸入,標(biāo)準(zhǔn)的配置就是8N60+MBR20100。
需要注意的是,這個(gè)參數(shù)不是“算”出來的,因?yàn)橛?jì)算值跟實(shí)際情況往往差別非常大,有很大的“彈性”。針對(duì)如何選型,首先要考慮的是公司倉庫里有什么,能不能用到。設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí),應(yīng)該是設(shè)計(jì)的變壓器參數(shù)(電壓電流應(yīng)力等)來滿足這些元器件的參數(shù)。而不是先設(shè)計(jì)好變壓器,再去尋找半導(dǎo)體元器件,實(shí)際開發(fā)過程和教材上說的是不一樣的。所以,首先要考慮到的是公司目前有沒有合適的物料。不管是工模電感、半導(dǎo)體,還是電解電容,優(yōu)先采用庫存物料會(huì)大大縮短開發(fā)周期和減少各種不確定的因素。
因?yàn)殚_關(guān)電源行業(yè)競爭非常激烈,物料選型的第二個(gè)原則是:競爭對(duì)手選什么?;蛘呤钦麄€(gè)行業(yè)目前的“流行趨勢”,也可以理解為大家都這么干。有時(shí)候行業(yè)“默認(rèn)”的做法比第一條原則還要重要。舉個(gè)例子,相當(dāng)一部分工業(yè)產(chǎn)品“不認(rèn)可”400V的電解電容,都是450V的,也有部分廠家不認(rèn)可國產(chǎn)的。再例如,PC電源里面的輸入輸出電容、磁芯等永遠(yuǎn)都是那么小!但是這不意味著人家是偷工減料,那個(gè)行業(yè)都是那樣,不然電腦怎么會(huì)那么便宜。中小功率產(chǎn)品絕大部分都是600V的MOS,12V輸出大部分都是100V的二極管等等...
物料(參數(shù))選型的第三個(gè)原則,就是查閱半導(dǎo)體公司提供的各種應(yīng)用文檔、評(píng)估板、設(shè)計(jì)手冊(cè)等等。TI、ON、Fairchild、PI、ST、Infineon都有大把技術(shù)文章,而且現(xiàn)在比起前幾年要“友好”很多,都還是中文的,不看可惜了。物料選型時(shí)求助于網(wǎng)路,效率應(yīng)該是最低的。
對(duì)于60W這個(gè)級(jí)別的開關(guān)電源,我們可以采用下面三種輸入電路,修改若干參數(shù)后,前面兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在300W以下應(yīng)該沒有什么問題(需要考慮防雷的場合,輸入端還要加強(qiáng))。仔細(xì)察看這三種結(jié)構(gòu),會(huì)發(fā)現(xiàn)他們有所相同也有所不同,最大的區(qū)別在共模電感配置這一塊。
圖1
注:不管有沒有強(qiáng)制要求,不管PCB板進(jìn)出線是端子連接還是導(dǎo)線連接,請(qǐng)給L、N、PE等端口做好清晰、正確的絲印。
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先從輸入電路①開始,從頭至尾來講一下。
輸入濾波電路也很難進(jìn)行精確計(jì)算。某些看起來并不太科學(xué)(或者并不流行)的設(shè)計(jì)思路,很多時(shí)候往往會(huì)非常有用。
圖2
F1:保險(xiǎn)管的壽命受輸入浪涌電壓和浪涌電流的雙重影響,應(yīng)該盡可能采用慢恢復(fù)型保險(xiǎn)管,一般是按照最大輸入電流的兩至三倍選取。AC輸入時(shí),浪涌電壓的影響可能要嚴(yán)重些。電池輸入(低壓),如果輸入端抑制不足,浪涌電流對(duì)保險(xiǎn)管的影響可能要嚴(yán)重些。AC輸入時(shí),在工業(yè)場合,浪涌電壓也遠(yuǎn)比民用場合嚴(yán)重,這時(shí)防雷器件(參數(shù)及結(jié)構(gòu)配置)的設(shè)計(jì)對(duì)保險(xiǎn)管的影響尤其突出,必要時(shí)還要采用雙(三)保險(xiǎn)。相關(guān)設(shè)計(jì)過程可以參考專門針對(duì)防雷電路、浪涌電流抑制電路的設(shè)計(jì)文獻(xiàn)。單保險(xiǎn)管要接在L線上,且玻璃管引線封裝最好增加一層熱縮套管,并且在PCB板上標(biāo)明容量。
RT1:熱敏電阻的主要作用是抑制輸入浪涌電流,RT1過大,發(fā)熱嚴(yán)重。RT1過小,可能會(huì)影響到保險(xiǎn)管和輸入電解電容的壽命。輸入沖擊電流一般是硬性指標(biāo),選擇RT1時(shí)一定要仔細(xì)的核實(shí)最大沖擊電流限制值,如果沒有給出這項(xiàng)要求,可以參考同等功率級(jí)別的其他類型產(chǎn)品。在全密封條件下,RT的發(fā)熱可能會(huì)非常嚴(yán)重。另外,如果產(chǎn)品要求低溫啟動(dòng)測試,RT阻值會(huì)變得相當(dāng)大,很可能導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常起機(jī)。
X電容:60W的產(chǎn)品,采用0.47uF的X電容,比較保險(xiǎn)。換句話說,30W的產(chǎn)品,應(yīng)該采用0.22uFX電容,120W的產(chǎn)品采用1uF的X電容。盡管這種方法沒有什么科學(xué)依據(jù),但是確實(shí)屢試不爽。如果喜歡比較有挑戰(zhàn)性的工作,那就另當(dāng)別論了。X電容與Y電容不同,X電容容量大一點(diǎn)也不會(huì)讓其他地方變得更加惡劣。在成本不是主要因素的情況下,對(duì)自己好一點(diǎn),多留條活路。另外,在圖2中,絕大部分人并不認(rèn)可C4作用,此處存在了很大爭議性。
Y電容:Y電容的配置有兩個(gè)的,也有四個(gè)的;有102的,也有222、472的,有串磁珠的,也有串電阻的,只要EMI都能過,只要泄露電流沒超就都OK。總之五花八門,千奇百怪。這也反映出人們內(nèi)心對(duì)于Y電容充滿深深的恐懼。其實(shí)Y電容并沒有錯(cuò),性能也較為優(yōu)良,罪魁禍?zhǔn)锥荚谟诖判圆牧?共模電感、變壓器)及接地方式,后續(xù)分析。
MOV1:壓敏電阻的計(jì)算方式并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),一旦對(duì)實(shí)際情況估算錯(cuò)誤(擊穿電壓偏低),反而會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成嚴(yán)重的危害。在防雷要求不高的民用產(chǎn)品中,一般采用14K471居多,工業(yè)場合一般都在500V以上,如14K511,14K561等等。如果你不了解產(chǎn)品的真實(shí)用電環(huán)境(非居民小區(qū)用電),要盡量避免使用500V以下的壓敏電阻。不同的行業(yè),采取的防雷措施不盡相同,這一點(diǎn)一定要認(rèn)真仔細(xì)的研究,特別是與多個(gè)保險(xiǎn)管的配置方面。另外,配置防雷管后,耐壓測試時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作,這也是讓人頭痛的問題。MOV1需要增加熱縮套管。
DB1:小功率產(chǎn)品,選型比較簡單。從散熱的角度考慮,寬范圍60W產(chǎn)品,整流器的最低規(guī)格不應(yīng)該低于2A。在成本不苛刻的條件下,一般采用4A即可。
對(duì)于某些特殊場合,如存在瞬態(tài)高浪涌電壓,整流器的規(guī)格應(yīng)該進(jìn)一步增大。有種情況很少見(但確實(shí)有存在),有部分工程師選擇輸入電解電容時(shí),會(huì)選擇超大的容量(可能是量不大,又是自家用),而浪涌抑制(熱敏)電阻的規(guī)格卻特別小。這時(shí)候強(qiáng)大的沖擊電流會(huì)對(duì)保險(xiǎn)管和整流器形成致命的威脅。專業(yè)的電源制造公司不會(huì)出現(xiàn)這種情況,而非專業(yè)制造商,在開發(fā)系統(tǒng)配套產(chǎn)品時(shí),由于開發(fā)人員經(jīng)驗(yàn)不足,又缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試規(guī)范,而忽略這些潛在的隱患。
共模電感:上面分別給出了三種配置:
方案①,這種配置比較多。我們經(jīng)??吹降那闆r是:前級(jí)一個(gè)¢8~¢16的小磁環(huán)(30~1000uH),后級(jí)采用一個(gè)¢20~¢25的大磁環(huán)(15~30mH),前級(jí)作用在高頻,后級(jí)低頻,高低搭配剛好合適。
方案②,這種情況也較為常見,前后兩個(gè)一模一樣的共模線圈,非常美觀。采用這種配置時(shí),為了保證較好的濾波效果(降低分布電容),每一級(jí)的電感量(匝數(shù))不能太高。這樣不僅會(huì)降低共模電感的分布電容,繞制工藝也會(huì)相對(duì)簡單,而且美觀,就是成本較高。
方案③,一般對(duì)EMI要求較低的產(chǎn)品較多使用,低成本EE型共模電感最為常見。部分對(duì)成本要求苛刻的產(chǎn)品中,不少人也會(huì)采用單個(gè)¢18~25左右的磁環(huán)來設(shè)計(jì),這需要開發(fā)人員具備足夠的經(jīng)驗(yàn)及技巧。共模電感的材質(zhì)、形狀、繞制工藝對(duì)濾波效果影響較大,而且EMI濾波元件配置與整機(jī)結(jié)構(gòu)也有很大的關(guān)系。很多人不知道如何去計(jì)算共模電感值,下面是一種參考方法(適用于中小功率)。
100KHZ------30mH
1.0MHZ------3.0mH
10MHZ-------300uH
100MHZ------30uH
5.0MHZ------600uH
30MHZ-------100uH
在傳導(dǎo)測試時(shí),3*F、1MHZ、5MHZ、20~30MHZ這四個(gè)點(diǎn)容易出問題。
注:
1、這種方法,只具有規(guī)律性,而沒有科學(xué)性;
2、共模電感的材質(zhì)、形狀、繞制工藝對(duì)其濾波效果影響非常大;
3、共模電感不會(huì)飽和(對(duì)稱繞制),但會(huì)產(chǎn)生較高的浪涌電壓;
4、共模磁環(huán),最好只繞兩層,在磁環(huán)繞制工藝方面建議多下點(diǎn)功夫;
5、共模濾波的設(shè)計(jì)原則是如何讓其更有效;
壓敏電阻的計(jì)算需要考慮到輸入阻抗(熱敏電阻、差模電感、共模電感)、保險(xiǎn)管容量、CIN大小等等多種因素。(特別是很多產(chǎn)品的保險(xiǎn)管并不是單純的熔絲,而且壓敏電阻也并不一定是剛好在FUSE之后。而且L-N與L、N-PE測試時(shí),需要分別考慮其影響。)
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EMC中的四級(jí)只是一個(gè)測試標(biāo)準(zhǔn),沒辦法去量化計(jì)算,符不符合要求,應(yīng)該取決于以下四點(diǎn):
1、輸出電壓有沒有跌落(保護(hù))現(xiàn)象;
2、產(chǎn)品會(huì)不會(huì)損壞;
3、保險(xiǎn)管是否存在嚴(yán)重的損傷;
4、共模電感的飛弧控制措施;
Cin、Vacmin、Vdcmin之間的秘密
85~265VAC輸入,12V5A輸出。
①現(xiàn)實(shí)情況:選擇100uF/400V的電解電容,估計(jì)不會(huì)引起太大爭議。
②3uF/W法則:3uF﹡60W=180uF,考慮到效率因素,選擇220uF。
由于Ton、Ae、Bac都可以輕松計(jì)算出來(如果定義為已知量),那么,Np的大小,完全是由Vdcmin決定的。很明顯,此時(shí)Vdcmin也決定了LP的大小。而很多人的計(jì)算流程關(guān)于Vdcmin的描述比較簡單,估計(jì)是受教科書的影響,準(zhǔn)確來說是沒有真正理解。
假設(shè)環(huán)境溫度25℃,60W輸出,85%的效率,Vdcmin計(jì)算值如下:
(Vdcmin受多種因素影響,下面的數(shù)據(jù)是采用PI公司的電子數(shù)據(jù)表格計(jì)算出來的,僅供參考)
經(jīng)典、權(quán)威教材無一例外的提到:Vdcmin=Vacmin﹡1.414,實(shí)際情況并非如此,那么問題出在哪里?可以肯定的是,這些教材在Vdcmin計(jì)算問題上,犯錯(cuò)的可能性較小。好多人設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí),不假思索的引用Vac*1.414,而從來不顧慮到Cin容量的大小。
Vdcmin=Vacmin﹡1.414
成立的前提條件是------必須定義合理的紋波電壓百分比。(紋波電壓百分比=Vdcmax-Vdcmin/Vdcmax;Vdcmax=Vacmin*1.414)
換句話稅,Cin必須滿足Vdcmin,否則公式不成立。這也是Cin在寬范圍輸入時(shí)選取3uF/W,窄范圍輸入選取1uF/W的由來。說句題外話,很多12V5A的適配器,采用100uF的電解電容,但是其輸入電壓范圍卻是100~265VAC,會(huì)是這個(gè)原因嗎?
Cin選取法則:
1、寬范圍輸入3uF/W,窄范圍輸入1uF/W;
2、寬范圍輸入,確保紋波電壓不高于15%(即保證Vdcmin≈100V);
窄范圍輸入,確保紋波電壓不高于20%(即保證Vdcmin≈200V);
3、如果Vdcmin不足,增大Cin容量,直至紋波電壓滿足要求;
4、如果考慮到壽命因素,Cin需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大;
5、Cin的容量受低溫的影響非常明顯,此時(shí)Cin需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大;
6、Cin也有紋波電流限制的要求,但關(guān)注較少。
7、如果不曉得如何計(jì)算Vdcmin,也沒有安裝軟件,那就拿起示波器去實(shí)測吧!要求低溫工作時(shí),更應(yīng)該如此。
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