单片开关电源设计要点及电子数据表格
定义的。若芯片工作在比较高的温度下,其额定值应减小10%,因此通常取初级峰值电流IP=0.9ILIMIT(min)。这表明在选择芯片时,可先将IP除以0.9,转换成ILIMIT(min)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TOPSwitch芯片。
在PO确定之后,采用连续模式能降低IP,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IR与峰值电流IP的比值KRP。KRP的取值范围是0~1.0。KRP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KRP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LP↓,IP↑,IRMS↑,导致η↓。因此,在选择KRP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。
2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6列。A列代表输入和输出的参数。B列中是由用户输入的数据。C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。D列为计算结果。E列给出的是单位(SI制)。F列是对参数的说明。
举例说明:由TOP222Y构成的7.5V、15W单片开关电源模块,其交流输入电压范围是85V~265V,电压调整率SV=±0.5%(85V~265V),负载调整率SI=±1%(负载电流从满载的10%变化到100%),输出纹波电压最大值为±50mV。表1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16行下面插入TOPSwitch的极限电流最大值ILIMIT(max)参数,并注明由此选定的芯片型号,作为新的17行,原17行就改为18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1设计7.5V、15W开关电源用的电子数据表格
A | B | C | D | E | F | |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 输入 | 中间过程 | 输出 | 单位 | 参数说明 | |
2 | 参数 | 数据 | 保留数据 | 计算结果 | 7.5V、15W开关电源 | |
3 | umin | 85 | V | 交流输入电压最小值 | ||
4 | umax | 265 | V | 交流输入电压最大值 | ||
5 | fL | 50 | Hz | 电网频率 | ||
6 | f | 100 | kHz | 开关频率 | ||
7 | UO | 7.5 | V | 直流输出电压 | ||
8 | PO | 15 | W | 输出功率 | ||
9 | η | 80 | % | 电源效率 | ||
10 | Z | 0.5 | 损耗分配系数 | |||
11 | UFB | 10.4 | V | 反馈电压 | ||
12 | tc | 3.2 | ms | 整流桥响应时间 | ||
13 | CIN | 33 | μF | 输入滤波电容 | ||
14 | ||||||
15 | 输入TOPSwitch的变量 | |||||
16 | UOR | 85 | V | 初级绕组的感应电压 | ||
17 | UDS(ON) | 10 | V | TOPSwitch的漏-源导通电压 |
18 | UF1 | 0.4 | V | 次级肖特基整流管正向压降 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
19 | UF2 | 0.7 | V | 反馈电路中高速开关整流管正向压降 | ||
20 | KRP | 0.92 | % | 初级脉动电流IR与峰值电流IP的比例系数 | ||
21 | ||||||
22 | 输入高频变压器的结构参数 | |||||
23 | EE22 | 铁氧体磁芯型号 | ||||
24 | SJ | 0.41 | cm2 | 磁芯有效横截面积 | ||
25 | l | 3.96 | cm | 有效磁路长度 | ||
26 | AL | 2.4 | μH/匝 | 磁芯不留间隙时的等效电感 | ||
27 | b | 8.43 | mm | 骨架宽度 | ||
28 | M | 0 | mm | 安全边距(安全边界宽度) | ||
29 | d | 2 | 层 | 初级绕组层数 | ||
30 | NS | 5 | 匝 | 次级匝数 | ||
31 | ||||||
32 | 直流输入电压参数 | |||||
33 | UImin | 93 | V | 直流输入电压最小值 | ||
34 | UImax | 375 | V | 直流输入电压最大值 | ||
35 | ||||||
36 | 初级电流波形参数 | |||||
37 | Dmax | 51 | % | 最大占空比(对应于umin时) | ||
38 | IVAG | 0.20 | A | 输入电流的平均值 | ||
39 | IP | 0.74 | A | 初级峰值电流 | ||
40 | IR | 0.68 | A | 初级脉动电流 | ||
41 | IRMS | 0.32 | A | 初级有效值电流 | ||
42 | ||||||
43 | 变压器初级设计参数 | |||||
44 | LP | 623 | μH | 初级电感量 | ||
45 | NP | 54 | 匝 | 初级绕组匝数 | ||
46 | NF | 7 | 匝 | 反馈绕组线数 | ||
47 | ALG | 0.215 | μH/匝 | 磁芯留间隙后的等效电感 | ||
48 | BM | 0.2085 | T | 最大磁通密度(BM=0.2~0.3T) | ||
49 | BAC | 0.0959 | T | 磁芯损耗交流磁通密度(峰卜逯×0.5) | ||
50 | μ | 1845 | 磁芯无气隙时的相对磁导率 | |||
51 | δ | 0.22 | mm | 磁芯的气隙宽度(δ≥0.051mm) | ||
52 | α | 16.85 | mm | 有效骨架宽度 | ||
53 | DPM | 0.31 | mm | 初级导线的最大外径(带绝缘层) | ||
54 | e | 0.05 | mm | 估计的绝缘层总厚度(厚度×2) | ||
55 | DPm | 0.26 | mm | 初级导线的裸线直径 | ||
56 | 公制线径 | 0.280 | mm | 初级导线规格 | ||
57 | SP | 0.0516 | mm2 | 初级导线的横截面积 | ||
58 | J | 0.67 | A/mm2 | 电流密度J=(4~10A)/mm2 | ||
59 | ||||||
60 | 变压器次级设计参数 | |||||
61 | ISP | 7.95 | A | 次级峰值电流 | ||
62 | ISRMS | 3.36 | A | 次级有效值电流 | ||
63 | IO | 2.00 | A | 直流输出电流 | ||
64 | IRI | 2.70 | A | 输出滤波电容上的纹波电流 | ||
65 | ||||||
66 | SSmin | 0.546 | mm2 | 次级线圈最小横截面积 | ||
67 | 公制线径 | 0.900 | mm | 次级导线规格 | ||
68 | DSm | 0.91 | mm | 次级导线最小直径(裸线) | ||
69 | DSM | 1.69 | mm | 次级导线最大直径(带绝缘层) | ||
70 | NSS | 0.39 | mm | 次级绝缘最大厚度 | ||
71 | ||||||
72 | 电压极限参数 | |||||
73 | UDmax | 573 | V | 最高漏极电压估算值(包括漏感的作用) | ||
74 | U(BR)S | 42 | V | 次级整流管最高反向峰值电压 | ||
75 | U(BR)FB | 59 | V | 反馈电路整流管的最高反向峰值电压 |
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