利用计算机设计单片开关电源讲座（全）

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 《电源技术应 用 》 年 月第 期 峨务豁箱组 利用计算机设计单片开关电源讲座 第一讲 单片开关电源设计概述及程序流程图 河北科技大学 沙 占友 王彦朋 孟志永 石 家庄 摘 要 目前 , 利 用计算机来设计单片开关电源正成为 国际上 电源领域的一 项新技术 本文首先对 专家系统作一概述 , 然后 重点 阐述单片开关电源反馈电路的基本类型 以 及设 计单片开关 电源的程序流程 图 关键词 单片开关电源 计算机 设计 工作模式 反馈电路 程序流程图 一 一 , 一 。 一 一 , ,一 、 于 , 一 一飞 吧 书 ‘ ’ ‘、 一 , 阳 一 , 介 一 〔 ‘ 〔一 一 。 〔、 即 , 一 · 一 扒 一 一 、, , , 一书 盯 中图分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一 设计概述 自从 世纪 年代以来 , 各种单片开关电源集成电 路竞相 世 , 现已形成 、 一 、 一 、 一 、 〔 和 一 六大系列近百种型号 。 它们具有高集成度 、 高性价比 、 最 简外围电路 、 最佳性能指标等显著优点 , 现已成为国 际上开发 以下中 、 小功率开关电源 、 精密开关 电源及电源模块的优选集成电路 。 单片开关电源不仅在整机电路设计 、 高频变压 器设计 、 反馈电路 、 保护电路和关键元器件的选择 方面有许多独到之处 , 而且特别适 合用计算机来完 成整个开关电源的设计工作 , 这 已成为国际 电源领 域的一项新技术 。 由美国 公司 开发的 软件正是采用 了这项技术 。 但是 , 该软件没有作为商品对外出售 , 所赠送的光盘也对 软件的安装使用次数 以及 运 行时间进行 了严格 限 制 , 软件的原代码更列为公司的最高机密 。 此外 , 软件亦存在某些不足之处 , 突出表现在每种 系列产品各对应于一套专门的软件 , 并且 只能对 一 现 有产品进行设计 。 因此 , 也给用户使用带来一些不 便之处 。 为解决上述问题 , 促使这项新技术能够在国内 迅速推广应用 , 我们在参考 的基础上 , 利 用 以下简称 语言独立 开发出通用 性很强 的 专家系统 , 为开关电源设计人 员提 供 了 一 套 功 能强 大 而 又 简便 实 用 的设 计 软 件 。 该软件不 仅适用 于 、 一, 、 卜 、 卜 和 一 系列 , 还 为将来问世 的新产品预 留出足够的接 口 。 本讲座详细阐述利用 计算机设计单片开关电源的新技术以及 软件的设计思想 , 设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 、 界面风格和使用指南 。 为了叙述方便 , 下面统一用 来表示 、 卜 、 一 和 一 系列 。 单片开关电源的两种工作模式 单片开关电源有两种基本工作模式 一种是连续 模式 , 另一种是不连续模式 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 利用计算机设计单片开关 电源讲座 第一讲 。这两种模式的开关电流波 形分别如图 及图 所示 。 由图可见 , 在连续模 式下 , 初级开关电流是从一定幅度开始的 , 然后上升 到峰值 , 再迅速回零 。其开关电流波形呈梯形 。这表明 在连续模式下 , 由于储存在高频变压器的能量在每个 开关周期内并未全部释放掉 , 因此下一个开关周期具 有一个初始能量 。 采用连续模式可减小初级峰值电流 吞 和有效值电流 八 , , 降低芯片的功耗 。 但连续模式 要求增大初级电感量 肠 , 这会导致高频变压器的体 积增 大 。 综上所述 , 连续模式适用 于功率较小 的 和尺寸较大的高频变压器 。 不连续模式的开关电流是从零开始上升到峰值 , 再降至零的 。 这就意味着储存在高频变压器中的能量 必须在每个开关周期内完全释放掉 , 其开关电流波形 呈三角形 。 不连续模式下的 吞 、 值较大 , 但所需要 的 , 较小 。 因此 , 它适合于采用输出功率较大的 , 配尺寸较小的高频变压器 。 单片开关电源反馈电路的四种基本类型 图 两 种模式的开关 电流波形 连续模式 不连续模式 单片开关电源的电路可以千变万化 , 但其反馈电 路只有四种基本类型 基本反馈电路 改进型基本反馈电路 配稳压管的光祸反馈电路 配 的光祸反馈电路 。 它们的简化电路如图 所示 。 图 为基本反馈电路 , 其优点是电路简单 , 成 本低廉 , 适于制作小型化 、 经济性开关电源 其缺点是 稳压性能较差 , 电压调整率 、 二 土 一 土 , 负载调整率 , 、 土 。 红红 夕 ’ 卜卜‘ 咬咬 飞飞 。 」」」」」」」」」」 叫 十 光藕 光祸 二二二 州 刀刀卜闷闷闷 麟 。。 又又 · 」」」」」」」」」」」」」 图 反馈电路的 四种基本类型 墓本反馈电路 改进型基本反馈电路 配稳压管的光辐反馈电路 配 琪 的光藕反债电路 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 《电源技术应用 》 牛 月第 期 峨舞舞箱组 图 为改进型基本反馈电路 , 只需增加一只 稳压管 和 电阻 , , 即可使负载调整率达到 士 。 的稳定电压一般为 , 必须相应增加反馈 绕组的匝数 , 以获得较高的反馈电压 , 满足电路 的需要 。 图 是配稳压管的光祸反馈电路 。 由 提 供参考电压 , 当输出电压 发生波动时 , 在光祸 内部的 上可获得误差电压 。 因此 , 该电路相当于 给 增加一个外部误差放大器 , 再与内部误 差放大器配合使用 , 即可对 进行调整 。 这种反馈 电路能使电压调整率达到 士 以下 。 图 是配 以 的光祸反馈电路 , 其电路较 复杂 , 但稳压性能最佳 。 这里用 型可调式精密 并联稳压器来代替普通的稳压管 , 构成外部误差放大 器 , 进而对 作精细调整 , 可使电压调整率和负载 调整率均达到 士 , 能与线性稳压电源相媲美 。 这 种反馈电路适于构成精密开关电源 。 在设计单片开关电源时 , 应根据实际情况来选择 合适的反馈电路 , 才能达到规定的技术指标 。 单片开关电源典型产品的主要技术指标 详见表 。 用计算机设计单片开关电源的程序流程图 设计高性价比的开关电源 , 所涉及的知识面很 广 。 设计人员不仅要掌握各种 系列产品的 工作原理和应用电路 , 还必须了解有关通用及特种 半导体器件 、 模拟与数字电路 、 电磁兼容性 、 热力学 等方面的知识 。 按照传统方法 , 开关电源要全部靠 表 单片开关电源典型产品的技术指标 参参数名称称 ⋯符号及单位位 产品型号号侧 翎 开开关频率率 最最大占空比比 。 。、 最最小占空比比 。 , 脉脉宽调制增益益 一 一 一 控控制端电压压 使使能端电压压 旁旁路端电压压 状状态控制端开启电压压 百 , 自自动重启动频率率 五。 自自动重启动占空 比比 , 漏漏极极限电流流 , 漏漏 一 源击穿电压最小值值 一 。 最最大输出功率 固定输人 前前沿闭锁时间间 坛。 热热关断温度度 ℃ 上上电复位闭值电压压 漏漏 一 源导通电阻 不二 ℃ 。 软软启动时间间 , 。二 。 线线路欠压阂值电流流 凡 林 线线路过压闹值电流流 林 多多功能端电压 ‘ 二 卜 编 线线路检测端电压 林 极极限电流设定端电压 二 卜 开开关频率选择端闹值电压压 , 开开关频率选择端输人电流流 卜 遥遥控开 关团值电流 卜 一 一 遥遥控开启延迟时间间 。。、 卜。 遥遥控关断延迟时间间 几 。 林 极极限电流衰减因数 一 一 频频率抖动调制速率 九 次 频频率抖动偏移量 △ 上 士 士 资资 士 士 当 二 时 , △ 士 当 时 , 叮 二 士 。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 利 用计算机设计单片开关 电源讲座 第一讲 卜 选择磁芯 、 骨架架 确确定 , 、 、 爪 、 当当 计算扬 、 。 , 、、 人人人人人人 , 、 、 、 人工设计 , 不仅工作量大 , 效率低 , 而且因设计时的 变量多 , 难于准确估算 , 使得设计结果与实际情况 相差较大 , 还需多次反复修正 。 单片开关电源的问 世 , 使开关电源的设计能实现 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化和 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化 。 而 利用计算机来设计开关电源 , 还能充分发挥高科技 的优势 , 极大地减轻设计人员的工作量并可实现最 优化设计 。 开关电源的优化设计是由三部分组成的 一组完整的程序流程图 一套简单实用的设计程序 一套正确的“ 电子数据表格 ” 。 表中的信息包 括输人数据 已知条件 、 中间变量和最终结果 。 图 开关 电源的基本电路 确定基本参数编 , 、 编 , 、八 厂、 、 外 、 、 刁 · 图 设计步骤 一 的程序流程图 选择钳位二极气 选择反馈电路类型及 「施 选择输出整流管 锁定 ,、 、 一 选择输出滤波电容 确定片 、 肠 确定 , 、 脉 动电 压太高 确定价。 选择输出端 滤波器 确定了人斌 、 卉 、 人 、 左 选择 芯片 选 反馈电路整流管 选择 结温不 选择反馈电路中的 旁路电容和串联电阻 兀 ℃补男 了尸 ,或爪产 选取反馈电路的元件值 参考 种典型电路 只 图 设计步骤 一 的程序流程图 图 设计步骤 一 的程序流程图 利 用计算机设计单片开关 电 源讲座 第二讲 利用计算机设计单片开关电源讲座 第二讲 利用计算机设计单片开关电源的方法与步骤 河北科技大学 沙占友 孟志永 王书海 石 家庄 摘 要 关键词 利 用计算机可以迅速完成单片开关 电源 的优化设计工作 , 本文详细介绍其设计方法与设 计步骤 。 单片开关电源 计算机 设计 方法 步骤 · 七 罗 一 , , 一 , , , 中图分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一 下面对 个设计步骤作详细的阐述 。 步骤 确 定开关电源的基本参数 交流输人电压最小值 坑 。 , 见表 。 交流输人电压最大值 。 , 见表 。 表 根据交流输入电压范围确定 玩 、 以。 、 值 表 反馈电路的类型及 从 。 参数值 交交流输人电压 『 川。、 固固定输人 八 巧巧 通通用输人 一 固固定输人 士 巧 反反馈电路类型型 。 。 的准准 确确确确度 基基本反馈电路路 士 士 士 改改进型基本反馈电路路 士 士 土 配配稳压管的光棍反馈电路路 土 士 士 配配 的光祸反馈电路路 士 土 士 电网频率 五 或 。 开关频率 。 输出电压 〕 已知 。 输出功率 尸。 已知 。 电源效率 刀 一般取 , 除非有更好的数 据可用 。 损耗因数 代表次级损耗与总功耗的比 值 。 典型值为 。 〔步骤 根据输 出要求 , 选择反馈电路的类型 以 及反馈电压 酥 详见表 。可从 种反馈电路中选择一种合适的 电路 , 并确定反馈电压 队 。 的值 。 「步骤 」根据 、 尸。 值来确定输入滤波电容 乙、 、 直流输入 电压最小值 ,。、 令整流桥的响应时间 。 。 根据输入电压 , 从表 中查出 、 值 。 得到 , 。‘。 的值 。 表 确定 乙 、、 从 的值 交交流输人电压 。 比例系数数 , 卜 , 。 协 固固定输入 巧巧 已知知 一 一 。。 通通用输人 一 已知知 一 尸。。 〕 固固定输入 士 巧 已知知 〕 【步骤 根据 交流输入 电压 确 定初级感应电 压 坑 、钳位二极管反向击 穿电压 玩 值 根据输人电压 , 从表 中查出 。 、 从 值 。 步骤 将用到 坑 值来选择瞬变电压抑制器 的型号 。 关断且次级电路处于导通状态时 , 次级电压会感应到初级 。 感应电压 。 与 相叠加 后 , 加至内部功率开关管 的漏极上 。 此时 表 确定 玩。 、 。 值 瓜产 。 眺 固固定输人 巧巧 通通用输人 一 固固定输入 士 巧 、 、 匹立 马 一 初级漏感释放能量 , 并在漏极上产生尖峰电压 。 由 于上述不利情况同时出现 , 极易损坏芯片 , 因此需给 初级增加钳位保护电路 。 利用 器件来吸收尖峰 电压的瞬间能量 , 使上述三种电压之和不超过漏一源 击穿电压 刀、。。 巧 值 。 仁步骤 根据 而 。 和 来确定最大占空比 , 。、 的计算公式为 从 、 二 应在 玩。 。 , 、。 一 陇 、 的通态漏一源电压 。 时确定 及、 。 。 若将 。 二 、 以。‘。 二 、 玩 。、 一并代 人式 , 可计算出 、 二 , 这与典型值 非常 接近 。 从 、 随着 的升高而减小 , 例如当 二 玩 。、 时 , 从 。、 。 仁步骤 确定初级脉动电流 与初级峰值电流 卉 的比值 瓜 定义比例系数 瓜 。 八 吞 当 确定之后 , 凡 有 一定的取值范围。 在 巧 或宽范围电压输人时 , 可选 瓜 。二 , 当 输 人时 , 取 瓜 。 。 在整个迭代过程中 , 可适当增大 瓜 。 的值 , 但不 得超过表 中规定的最大值 。 表 确定 从 〔步骤 根据 电子数据表格和所需 介 值 , 选择 芯片 所选极限电流最小值 应满足 、, 、 。 多 若芯片散热不 良 , 则选功率稍大些的芯片 。 步骤 和步骤 计算芯片的结温 界 计算结温 冗 二 〔、·尹、 、 。洲 合 · 。 ·、 。〕· 切 · 凡 , ℃ 式中 是漏极结点的等效电容 。 括号内第二项代 表当交流输人电压较高时 , 由于 不断被充放电而引 起的开关损耗 , 可用 表示 。 计算过程中若发现 不 ℃ , 应选功互粗较大的 芯片 。 步骤 验算 左 二 工川 输人新的 值且从最小值开始迭代 , 直到 。 。 检查 乔值是否符合要求 。 迭代 瓜 或 吞二 , 。 。 步骤 计算初级电感量 吞 二 , 。 了, 瓜 , , 卢人 一万一、 ‘ 吞 一 刀 刀 刀 最最最小值值 最大值值 连续模式 不连续模式 固固定输入 八 巧巧 通通用输入 一 固固定输人 土 巧 步骤 确定初级波形参数 计算下列参数 电流单位均取 输人电流的平均值 。 么 。 尸 刀 ,、 初级峰值电流 , 、、‘ 一 ,、 、。、 初级脉动电流 〔可由式 求得 〕 初级有效值电流 左 、 式中 乙 的单位取 林 。 步骤 选择磁芯与骨架并确定相关参数 从厂家提供的磁芯数据表中查出适合该输出功率 的磁芯型号 , 以及有效截面积 、 有效磁路长度 、等 效电感 人 、骨架宽度 等参数值 。 仁步骤 设定初级层数 和次级匝数 瓜 的初始值 设定 二 层 。当 一 时取 二 匝 再用迭代法计算 瓜 亦可根据次级每伏匝数和 酥 , 值 , 直接计算 瓜 值 参见步骤 。 在步骤 至步骤 中必须确定高频变压器的 个主要参数 初级电感量 肠 , 磁芯气隙宽度 占, 初级匝数 肠 , 次级匝数 , 反馈绕组匝数 , 初级裸导线直径 矫山 , 初级导线外径 矫 , 次级裸导线直径 。 和次级导 线外径 。 上述参数中 , 除 吞 可直接用公式单独计算 外 , 其余参数都是互相关联的 , 因此通常从次级匝数开 始计算 。 另外鉴于反馈绕组上的电流很小 一般小于 , 对其线径要求不严 , 因此不需计算导线的内 、 外直径 。 利 用计算机设计单片开关电源讲座 第二讲 步骤 巧 计算次级 匝数 对于 或宽范围输人应取 匝 , 现已知 二 , 考虑到在次级 肖特基整流管上还有 的正向压降 酥 , , 因此次级匝数为 , 二 匝 。 由于次级绕组上还存在导线电阻 , 也会形成 压降 , 实取 二 匝 。 下面就以该数据作为初始值分 别计算其余 个参数 。 步骤 计算初级 匝数 解 将 ‘ 二 , , 二 林 , 肠 二 匝 , 磁芯有效 横截面积 二 。砰 代人式 , 计算出 、 二 。 电子数据表中实取 。 需要指 出 , 若 。 , 则需增加磁芯的横 截面积或增加初级匝数 , 使 在 一 范围 之 内 。 如 , , 就应选择较小的磁芯或减小 值 。 【步骤 计算磁芯的气隙宽度 占 二取实气六 , , , 二厂 十 将 。。 , 。 , 。 , 匝一 同代人式 , 计算 出 , 二 匝 。 汇步骤 计算反馈绕组匝数 , 匝 。 酥 价 了 刀岁 、 占 下 丁六冷二 一 二二二二 】 〔“ 一 ’ ” ” “ ‘ 、 , 、 ‘ ”‘ 式中 占的单位是 。 将 , , 二 匝 , 。 林 , 磁芯不 留间隙时的等效电感 二 林 匝 ’代人式 , 计算出 占二 。 气隙 占 应加在磁芯的磁路中心处 , 要求 占弟 。 若 占 小于此值 , 需增大磁芯尺寸或者增加 胁 值 。 〔步骤 计算留有气隙时磁芯的等效 电感 。 将 二 匝 , 二 二 二二育 ’, 队 二 代人式 , 计算出 二 匝 。 实取 匝 。 【步骤 根据初级层数 、 骨架宽度 和安全 边距 , 计算有效骨架宽度 单位是 一 材 将 己 , , 对 代人式 , 求得 二 。 再计算初级导线的外径 带绝缘层 所 夕 二 月 了 将 。 , 匝代人式 , 求得 二 。 扣 除漆 皮 后 裸 导 线 的 内径 , 。 〔步骤 验证初级导线的 电流密度 是否满足 初级有效值 电流 八 二 之条件 二 下 端 八 一 浮 将 ‘ 林 , 肠 二 匝 , 代入式 , 得到 。 二 林 匝 ’。 电子数据表中实取 林 匝 ’。 需要说明两点 。 值必须在选好 解 值以后才能确定 。 如上所述 , 高频变压器的设计是一个多次迭 代的过程 。例如当 肠 改变后 , 和 解 的值也一定会 按一定的比例变化 。 此外 , 在改变磁芯尺寸时 , 需对 、 、 、 占等参数重新计算 , 以确信它们仍在给定的范 围之内 。 这表明若计算结果与电子数据表格中的数值 略有差异 , 也属正常现象 , 因二者迭代过程未必完全 一致 。 步骤 确定次级参数 、 、 , 、 计算次级峰值电流 次级峰值电流取决于初级峰值电流以及初 、 次级 匝数比 , 有公式 解’ 瓜 将 、 八 , 二 代人式 , 得 到 二 。 电子数据表格 中实取 若 时 , 应选较粗的导线和较大的磁 芯骨架 , 使 时 。 若 时 , 应选较细 的导线和较小的磁芯骨架 , 使 亦可适 当增加 肠 的匝数 。 〔步骤 计算磁芯 中的最大磁通密度 肠 泌 万 二 一下丁言一一 必 将 吞 , 解 匝 , 二 匝代人式 , 得到 二 。 计算次级有效值电流 次级纹波 电流与峰值 电流 的 比例系数 与 初级完全相 同 , 区别仅是对次级而言 , , 反应的 是次级电流在 占空 比为 一 时的比例系数 。 因此 , 计算次级有效值电流 时 , 须用下 面公 式 , , 。 、 产 一 , 、 二 、 一 · 苦月二 一 】·。 一 一 ‘ 一 ’‘’“ ‘ 、 ‘ “ 一 将 , 、 , 瓜 。 代人式 , 求得 、 。 电子表格中的计算结果为 。 计算输出滤波电容上的纹波电流 扬 八 将 一 。 , , 一 , 。 代人式 , 求得 最后计算次级裸导线直径 , 有公式 厂获赢一西丽 月 仄赢 , 、 二 、 二一份岁黑 · 二二于 · 于族份 二 、 一岁些 又一 “ 川 下 一 ‘ ’ ‘ 一 丫 ‘ 一“ 将 , , 代入式 , 求得 刀 。 。 实选 中 的公制线规 。 需 要指出 , 当 时 , 应采用 功 的两 股导线双线并绕 匝 。 与单股粗导线绕制方法相 比 , 双线并绕能增大初级绕组的等效横截面积 , 改 善磁场藕合程度 , 减小磁场泄漏及漏感 。 此外 , 用双 线并绕方式还能减小次级导线的电阻值 , 降低功率 损耗 。 若选用三重绝缘线来绕制初级绕组 , 则导线外径 单位是 的计算公式为 一 将 乙 , 肛 二 , 匝代人式 , 求 得 丛 。 可选导线直径 二 而绝 缘层外径 、 蕊 的三重绝缘线 。 步骤 确 定次级整流管 、 反馈电路整流管的 最高反向峰值电压 。 , 、 ‘“ ,‘ 有公式 将 。 二 , 。 , 一肠凡一瓜︸。 二 。 匝 , 。 匝 , 二 匝 , 分别代人以上两式 , 求得 、。 · , 。 这与电子表格中给出 的结果完全相同 。 「步骤 选择钳位二极管和 阻塞二极管 见 表 。 对 于 低 功 率 的 、 、 型单片开关电源 , 可选 。 二 的瞬变电 压抑制器 。 〔步骤 选择 耗小 , 能提高电源效率 。典型产品有 公司生 产的 系列 。 要求管子的最高反向工作电压 从 、 , 〔 、为整流管实际承受的最大反向峰值电 压 〕其标称电流 寿 为最大连续输出电流 。 肖特基二极管的最高反 向工作电压一般不超过 , 仅适合做低压 、 大电流整流用 。 当 。 〕 时 , 需用耐压 以上的超快恢复二极管来代替 肖特基二极管 , 此时电源效率会略有下降 。 「步骤 」利 用 步骤 得到 的 八 , , 选择输 出滤 波 电容 滤波电容在 ℃ 、 时的纹波电流应 〕八 。 要选择等效串联电阻很低的电解电容器 。 等效串联电阻的英文缩写为 , 符号为 。。它表示 在电容器的等效电路中 , 与之相串联的代表电容器 损耗的等效电阻 , 简称串联损耗电阻 。 输出的纹波 电压 , 由下式决定 二 · 。 式中的 由步骤 得到 。 为减小大电流输出时的纹波电流 八 , , 可将 几只滤波电容并联使用 , 以降低电容总的 。值和等 效电感 。。 的容量与最大输出电流 有关 。 例 如 , 当 一 、 , 时 , 取 林 了。、 时 应取 林 。 【步骤 当输 出端 的纹波电压超过规定 值时 , 应再增加一级 滤波 器 滤波电感 二 林 一 协 。 当 , 小于 时可采用 由非晶合金磁性材料制成的磁珠 大电 流时须选用磁环绕制而成的扼流圈 。 为减小 上的压降 , 宜选较大些的滤波电 感或增大线径 。 通常可取 林 。 滤波电容 取 协 , 要求其 很小 。 【步骤 选择反馈电路中的整流管 见表 。 表中的 练 , 为整流管最高反 向工作电 压 , 〔 是由步骤 得到的 , 要求 多 , 【步骤 选择反馈滤波电容 应取 林 的陶瓷电容器 。 输 出整流管 输 出整 流管宜 采用 肖特基二极管 , 此类管子的压降低 、损 表 选择钳位二极管和阻塞二极管 钳位电压 。 钳位二极管管 阻塞二极管管 固固定输人 巧巧 通通用输入 一 固固定输人 士 巧 利用计算机设计单片开关电源讲座 第二讲 表 选择反愤电路中的整流管 八 二 整整流管类型型 整流管型号号 最高反向工作电压 坑 生产厂家家 玻玻封高速开关硅二极管管 国产产 超超快恢复二极管管 , 公司司 公司司 尸。 刀队 , 。 职 「步骤 选择控制端 电容及 串联电阻 控制端电容一般取 林 八 , 普通电解电容即 可 。 与之相串联的电阻可选 几 。 在不连续 模式下可去掉此电阻 。 〔步骤 按从表 中选定的那种反馈电路 , 选 取元器件值 。 步骤 选择输入整流桥 整流桥的反 向击穿电压 从 应满足下式要 求 、厅 , 、 式中的 氏 、 值从第步骤 得到 。 设输人有效值电流为 左 , 整流桥额定的有效值 电流为 几 , 应当使 几。 〕 入 、。 计算 左 , 的公式如下 式中 。 沪 为开关电源的功率因 数 , 一般为 一 。 若无可信的数 据 , 可选 沪 。 步骤 设计完毕 参考文献 【 」 盯 公司产品手册 , 一 【 沙占友 , 王彦朋 单片开关电源的快速设计法 电源技 术应 用 , 〔 沙占友等编著 新型单片开关电源的设计与应用 电子 工业 出版社 , 作者简介 沙占友 年生 , 河北科技大学信 息学院 电子信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系教授 , 已 出版专著 部 , 发表学术论文 篇 , 主要研究方向 为数字化测量技术 、 仪器仪表及特种电源 。 收稿 日期 定稿日期 《大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析》下期起将连载、拙 《大功率风机水泵调速节能运行 的技术经济 分析 》, 是针对火力发 电厂 主要辅机 —风机水泵的调 速节能运行 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 进行 了详细的技术经济分 析 。 文章汇集了几位风机 、 水泵 、 电机和控制方面 的老专家几十年来的丰富经验 , 资料详实 , 分析深 人透彻 。 本文是作为 国家电力工业部行业 内部技 术交流用 的单行材料 , 虽然是从火 电厂 的生产实 际出发 , 但就风机水泵 的调速节能来讲 , 对其他行 业如冶金 、 矿 山 、 化工和市政工程等部 门来讲也有 极 大的参考价值 , 可作为风机水泵调速节能改造 工 程 的方 案论 证 依据 , 避 免 在 实施 过 程 中走 弯 路 。 本刊将采用技术讲座的形式从下期开始分期 拟 四期 连载 , 请读者关注 。 下面是本文的 目录 。 前言 风机水泵调速运行的必要性和优越性 风机 水泵 风机水泵的低效调速节能方案 液力锅合器 , 液力调速离合器 电磁调速离合器 鼠笼式电动机定子调压调速 绕线式电动机转子串电阻调速 各种低效调速方式的性能 比较 风机水泵的高效调速节能方案 变极调速 串级调速 普通串级调速 内反馈串级调速 变频调速 无刷双馈变频调速电机 无换向器电机调速 各种调速方式的综合性能分析 各种调速方式的适用容量和转速范围 各种调速方式的综合效率 各种调速方式的电源功率因数 各种调速方式的初投资及回收期 各种调速方式的性能比较 结论 《电源技术应 用 》 年 月第 期 〔那目遨‘蔽扼圣绷注翔 利用计算机设计单片开关电源讲座 第三讲 单片开关电源设计要点及电子数据表格 河北科技大学 沙占友 庞志峰 张苏英 石 家庄 摘 要 首先阐述单片开关电源 的设计要点 , 主要 包括电源效率的选定 , 初级各 电压参数的 电位分 布情况 , 根据初级峰值 电流选择芯片的方法 , 然后介绍 电子数据表格的结构 。 关键词 单片开关电源 设计 电源效率 电位分布 电子数据表格 一 , 一 , , 仔 , 比 川 一 即 , , 川 , , 中图分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一 单片开关 电源的设计要点 电源效率的选定 开关电源效率 动是指其输出功率 尸〔 与输人 功率 尸 即总功率 的百分比 。 需要指出 , 单片开关 电源的效率随输出电压 , 的升高而增加 。 因此 , 在 低压输出时 以。 或 , 刀 可取 高压输 出时 以 , 刀 可取 。 在中等电压输出时 〔, , 可选 。 但这只是 刀 的期望值 , 能否达到还取决于电路设计 、 安装 、 调试等多种 因 素。 因电源效率 刀 。 尸 , , 故开关电源的总功耗 尸。 二 尸 一 尸。 鱼 一 。 上二丑 。 刀 刀 尸 中包括次级 电路功耗和初级 电路功耗 。 重要 的 是应知道初 、 次级功耗是如何分配的 。 损耗分配系 数 即反映 出这种关系 。 设初级功耗为 尸。 , 次级功耗为 尸、 , 则 十 尸、 二 , , 尸、 尸。 , 而 一 二 尸。 尸。 。 需要 注意 的是 , 次级功耗与高频变 压器传输功率的大小有 关 , 而初级钳位二极 管的功耗应 归 人次级 功耗 之 中。 这是因为输人功率在漏极 电压被钳位之前 , 已 被高频变压器传输到次级的缘故 。 如何计算输入滤波电容的准确值 输人滤波电容的容量是开关 电源的一个重要参 数 。 、 值选的过小 , 会使 值大大降低 , 而输人脉 动电压 以 却升高 。但 、 值取得过大 , 会增加电容器 成本 , 而且对于提高 硫 川 值和降低脉动电压 的效果 并不明显 。 下面介绍计算 、 准确值的方法 。 交流电压 经过桥式整流和 、 滤波 , 在 二 晰、 情况下 的输人电压波形如图 所示 。 该图是在 。 , 五 或 、 整流桥的响应时间 ‘ 二 。 、 刀 的情况下绘出的 。 由图可见 , 在直流高 压 上还要叠加上一个幅度为 。 的初级脉动电 压 , 这是 、 在充放电过程中形成的 。 欲获得 已、 的准确值 , 可按下式进行计算 尸。 不 豁 一 、、、尹 立刃 一一︵厂八 一勺山了汀、、 图 交流 电压 为最小 值时的输入 电压波形 利 用计算机设计单片开关 电 源讲座 第三讲 举例说明 , 在宽范围电压输人时 , 。 取 , 日 『 , 厂 , 二 , 假定 , , 刀 , 一并带入式 中求出 、 林 , 比例系数 , 、 二 卜 二 卜 , 这恰好在 叮 允许的范围之内 。 初级各电压参数的电位分布情况 下面详细介绍输入直流电压的最大值 、初级 感应 电压 执 、 、 钳位电压 。 与 认 、最 大漏极 电压 坑 、漏 一 源击穿电压 阶 , 、, 「、 这 个电压参数的电位分 布情况 , 使读者能有一个定量的概念 。 对于 诉 一 系列单片开关电源 , 其功率开 关管的漏 一 源击穿电压 , 、 〕 , 现取下限值 , 其感应电压 玩 。 。 本来初级钳位二极管的钳位 电压 。 只需取 , 即可将叠加在 。。 上 由漏感 而造成的尖峰电压吸收掉 , 实际却不然 。 手册 中给 出 。 参数值仅表示工作在常温 、 小 电流情况下 的 数值 。 实际上钳位二极管 即瞬态 电压抑制器 还具有 正 向温度系数 , 它在高温 、 大电流条件下 的 钳位电压 认 要远高于 已 , 。 实验表明 , 二者存在下 述关系 之 ,、 这表明 从 。 大约 比 , 高 。 此外 , 为防止钳位二 极管对初级感应电压 , ,、 也起到钳位作用 , 所选用的 钳位电压应按下式计算 。 。、、 此外 , 还须考虑与钳位二极管相串联的阻塞二极管 的影响 。 , 一般采用超快恢复二极管 , 其 特征是反 向恢复时间 「 很短 。 但是 , 在从反向截 止到正向导通过程中还存在着正向恢复时间 。 , 还 需 留出 的电压余量 。 正 向恢复时间定义为 给二 极管施加一个正向瞬态 电压 , 使之从电流为零的反向 电压偏置状态转人正向电压偏置状态 , 直到管子的正 向电压恢复到规定值所需要 的时间间隔 。 设二极管正 向 压 降 的 典 型 值 为 。 , 这 里 讲 的 规 定 值 即 为 队 。 正 向恢复时间的电压波形如图 所示 。 由图 可 见 , 当给二极管加上正向瞬态电压时 , 管子由截止 状态转变成导通状态的过程如下 管子的正向电压首 先要从零上升 一 到 以 , 然后达到峰值电压 , , 再 下降到 。 规定从 恢复到 。 所需时 间 , 即为正 向恢复时间 。 需要注意 , 正 向恢复时间 斤 和反 向恢复时间 , 属 于两个性质不 同的特征参 数 。 考虑上述因素之后 , 讯 一 的最大漏 一 源极 电压的经验公式应为 八 】了 ⋯⋯了 一一 图 正 向恢复时间的 电压波形 , 。、 、 之、、、 一 各系列在 交流 固定输人时 , 初 级 电压 参数对 应 于 波形 的分 布情 况 如图 所 示 。 此 时 进 , 即 。 、 二 , 。、 二 护丁 。 、 二 , 百〔 、 , 百。 以 〕、、 , 。 , 、 , 最后再留出 的电压余量 , 因此 , 。 、 。 实际上 , , 、也具 有正向温度系数 , 当环境温度升高时 已 。 、 也会升 高 , 上述设计就为芯片耐压值提供了额外的余量 。 群群 夕七 图 一 等系歹 在 交流输入时 各电压参数的 电位分布 根据 , 值选择芯片的方法 单片开关电源的极 限电流最小值 , , , , 均是 针对室温情况下定义的 。 若芯片工作在 比较高的温 度下 , 其额定值应减小 , 因此通常取初级峰值电 流 。 】「、 。 这表明在选择芯片时 , 可先将 几 除以 。 , 转换成 、 , 门值 , 从有关参数表中查出符 合上 述 要 求且 与该 数值最 为接 近 的 芯 片 。 在 尸。 确定之后 , 采用连续模式能降低 , 允许 使用功率较小的芯片 。 若要减小磁芯及高频变压器的 尺寸 , 应适当增加初级脉动电流 、与峰值电流 介的 比值 。 凡 的取值范围是 一 。 瓜 愈大 , 磁芯 尺寸愈小 , 其代价是需采用输出功率较大的芯片 。 另 外 , 增大 。 值还意味着开关电源要向不连续模式过 渡 , 此时初级电感量 , 牛, 川 , 鲡 寸, 导致 司 。 因 此 , 在选择 , 。 值时应权衡利弊 , 要在减小磁芯尺寸 与保证尽量高的效率这二者之间 , 确定最优设计方 案。 续表 电子数据表格的结构 在用计算机设计单片开关电源时 , 需借助于电子 数据表格才能完成 。 这种表格的内容以高频变压器设 计为主 , 其它外围电路及关键元器件参数计算为辅 。 单路输出式开关电源的电子数据表格共分 列 。 列 代表输人和输出的参数 。 列 中是 由用户输入的数 据。 列为计算过程中保留的数据 , 这些数据可作为 中间变量 , 在前 、后设计步骤 中交叉使用 。 列为计算 结果 。 列给出的是单位 制 。 列是对参数的说 明。 举例说明 由 构成的 、 巧 单片 开关电源模块 , 其交流输人电压范围是 一 , 电压调整率 、 士 一 , 负载调整率 二 士 负载电流从满载的 变化到 , 输出纹波电压最大值为 士 。 表 给出该模块所 对应的电子数据表格 , 可供读者在设计开关电源时参 考。需要指出 , 在设计和使用 电子表格时 , 还可根据实 际电路的要求 , 适 当增加一些参数 。 例如在第 行下 面插人 的极限电流最大值 几 。、 、 , 参数 , 并注明由此选定的芯片型号 , 作为新的 行 , 原 行就改为 行 , 依次顺延 。 表中预留出的空行也是专 为插入新参数而设置的 。 表 设计 、 开关电源用的电子数据表格 日日日 输入入 中间间 输出出 单位位 参数说明明 过过过过程程程程程 参数数 数据据 保留留 计算算算 、 开关电源源 数数数数数据据 结果果果果 日日日 川川 交流输人电压最小值值 阿阿阿 交流输人电压最大值值 曰曰曰 厂厂 电网频率率 冈冈冈 开关频率率 曰曰曰 〔,, 直流输出电压压 冈冈冈 尸 输出功率率 阿阿阿 刀刀 电源效率率 网网网 损耗分配系数数 同同同 。。 反馈电压压 网网网 。。 整流桥响应时间间 网网网 卜 输人滤波电容容 网网网网网网网网网 网网网网 输人 的变量量量 园园园 。》。。 初级绕组的感应电压压 ,、 小 的漏 一 源源 导导导导导导导导通电压压 之 次级 肖特基整流管正正 向向向向向向向向 卞降降 反馈电路中高速开关关 整整整整整整整整流管正向压降降 , ,, 初级脉动 电流 。 与与 山山山山山山山山条值 电流 的比例例 系系系系系系系系数数 区区区区区区区区区 巨巨巨 输 ,, 人高濒濒西变压器器的结构构参数数数 铁氧体磁芯型号号 区区区 磁芯有效横截面积积 区区区 〔 有效磁路长度度 卜 匝匝 磁芯不留间隙时的等等 效效效效效效效效电感感 了 骨架宽度度 了 安全边距 安全边界界 宽宽宽宽宽宽宽宽度 层层 初级绕组层数数 顾顾顾 、、 匝匝 次级 匝数数 区区区区区区区区区 匡匡匡匡 直漪漪乙输人电电压参数数数数 直流输人电压最小值值 坛 。。。。 直流输人电压最大值值 压压压压压压压压压 压压压压 初绍绍乏电流波波形参数数数数 。。。。 最大占空 比 对应于于 佑佑佑佑佑佑佑佑 ‘、 时 阮阮阮 、 八 输人电流的平均值值 ,,,, 初级峰值电流流 ,,,, 初级脉动电流流 巨巨巨 初级有效值电流流 匹匹匹匹匹匹匹匹匹 匣匣匣匣 变压 器初级 览计参彭彭石石石 匣匣匣 。。。。 协 初级电感量量 】】】】 匝匝 初级绕组匝数数 匝匝 反馈绕组线数数 ,,, 】 协 匝匝 磁芯留间隙后的等效效 电电电电电电电电感感 最大磁通密度度 、, 、 一 泪泪泪 磁芯损耗交流磁通密密 度度度度度度度度 峰 一 峰值 拜拜拜 磁芯无气隙时的相对对 磁磁磁磁磁磁磁磁导率率 占占占占 磁芯的气隙宽度度 吕多 匡匡匡 】 有效骨架宽度度 』 初级导线的最大外径径 带绝缘层 估计 的绝缘层 ,急厚厚 度度度度度度度度 厚度 匡匡匡 氏 初级导线的裸线直径径 公制制制制 中 〔〔 初级 导线规格格 线线线径径径径径径径 巨巨巨 初级导线的横截面积积 八刀 电流密度度 二 一 网网网网网网网网网 网网网网 变压 器次级 量计参刻刻工工工 阿阿阿 、。。。。 次级峰值电流流 巨巨巨 人。。 次级有效值电流流 匝匝匝 〔〔〔〔 直流输出电流流 利 用计算机设计单片开关 电源讲座 第三讲 续表 输出滤波电容上的纹纹 波波波波波波波波电流流 、。 次级线圈最小横截面面 积积积积积积积积积 公令令耘 小 〔〔 】 次级导线规格格 线线线 臣臣臣臣臣臣臣 腼腼腼腼 次级导线最小直径径 裸线 、 次级 导线最大直径径 带绝缘层 网网网 刀 、、、、 】】 次级绝缘最大厚度度 陌陌陌 电压极限参数数数 。。。。 最高漏极电压估算值值 包括漏感的作用 〔 川 、、、、 次级整流管最高反向向 峰峰峰峰峰峰峰峰值电压压 。。一 。。。。 反馈电路整流管的最最 高高高高高高高高反向峰值电压压 参考文献 」 公 司产品 手册 , 一 【 沙占友等编著 新型 单片开 关 电源的设计与应 用 电子 工业 出版社 , 【 沙占友 , 王 彦朋 单片开关 电源 的快速设计法 电源技 术应 用 , 作者简介 沙 占友 年 生 , 河 北 科技 大学信 息学院 电 子信 息工 程 系教授 , 已 出版专著 部 , 发表 学术论 文 巧 篇 , 主 要研究方 向 为 数 字化 测 量 技 术 、 仪 器 仪 表及 特种电 源 。 收稿 日期 定稿 日期 上接 表 机组额定负荷时调速泵与定速泵的比较 给给水泵类型型 机组组 给水水 主蒸汽汽 泵出 口口 调节阀阀 电流流 负负负荷荷 流量量 压力力 压力力 压差差 定定速给水泵泵 】 一 】 调调速给水泵泵 一 有些给水系统还配备了流量大小不同的给水泵 , 根据 负荷进行大小泵搭配运行 , 即所谓经济调度 , 这样运 行经济性会更好些 。 但是 , 为了最大限度地提高运行 经济性 , 最理想的方案还是变速调节 , 因为台数调节 法仍然存在一些节流损失 , 而且在变负荷时泵的运行 效率仍然有些降低 , 图 表示采用台数调节法与变速 调节法时泵轴功率的差异 。 变时 , 泵的效率曲线也相应改变 。 因此 , 可 以保证泵始 终在高效区范围内运行 。 如果管路系统的静扬程 , 二 例如水平开式供 水的情况 , 那么管路系统阻力曲线近似于相似抛物 线 , 泵的运行工况点近似于相似工况点 。 这样 , 泵在变 速运行过程中性能参数的变化可用 比例定律表示 节流调 节 台泵 产 州碑 护 , 。 箭 箫 ’ 一 告 ’尸一 、 台数调 节 台泵 台泵 变速调节 因此 , 用变速调节法调节流量 可以大幅度节约电 能 。 ’ 譬如流量下降到额定流量的 , 轴功率将下降 到额定值的 如果流量下降到 , 那么轴功率 可以大幅度地下降到 。 当然 , 实际上还要考虑调 速装置的滑差损失等因素 , 即使如此节电效果也是十 分可观的 。如果静扬程 不太大 , 也可 以近似用 比例 定律来估计调速节能的效果 。 以上叙述了 台泵单独供水时调速节能的原理 , 火力发 电厂 中单泵供单炉 的单元制给水 系统就属于 这种情况 。但是 , 单机容量 以下 的火力发电厂 基本上采用母管制给水系统 , 这种系统根据所需给水 量的变化增减运行泵的台数 , 即所谓台数调节法 。 如 果泵的台数 比较多 , 采用这种方法也可 以使各泵的运 行工况点接近于高效区 , 所以运行经济性也 比较好 。 流星 匕 山川珊︺孟件,一︵罗︶出呀曰撰 图 采用 不 同调 节法时的泵轴功 率 另外 , 与变速调节法相比 , 台数调节法不仅经济 性差 , 而且安全性也差 , 因为它必须根据负荷经常起 动和停泵 , 增加了不安全因素 。 待续 作者简介 徐甫荣 男 年生 。 年毕业 于西安 交通大学电 机工程 系发 电厂 电力 网及电力 系统专业 。现为 国家电力公司西 安热 工研究院 自动化所高级工程师 。主要从事火 电厂 热工 自动 化及 交直流调速拖动技术的研究工作 。 收稿 日期 定稿 日期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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