開關(guān)電源元器件選型—保險(xiǎn)絲

 

 

第一個(gè)安規(guī)元件—保險(xiǎn)管

 

 

1、作用：安全防護(hù)。在電源出現(xiàn)異常時(shí)，為了保護(hù)核心器件不受到損壞。

2、技術(shù)參數(shù)：額定電壓V、額定電流I、熔斷時(shí)間I^2RT。

3、分類：快斷、慢斷、常規(guī)

 

 

1、0.6為不帶功率因數(shù)校正的功率因數(shù)估值

2、Po輸出功率

3、η效率（設(shè)計(jì)的評(píng)估值）

4、Vinmin 最小的輸入電壓

5、2為經(jīng)驗(yàn)值，在實(shí)際應(yīng)用中，保險(xiǎn)管的取值范圍是理論值的1.5~3倍。

6、0.98 PF值

 

開關(guān)電源元器件選型—熱敏電阻

 

 

NTC的作用

 

 

NTC是以氧化錳等為主要原料制造的精細(xì)半導(dǎo)體電子陶瓷元件。電阻值隨溫度的變化呈現(xiàn)非線性變化，電阻值隨溫度升高而降低。利用這一特性，在電路的輸入端串聯(lián)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻增加線路的阻抗，這樣就可以有效的抑制開機(jī)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓形成的浪涌電流。當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，由于線路中持續(xù)工作電流引起的NTC發(fā)熱，使得電阻器的電阻值變得很小，對(duì)線路造成的影響可以完全忽略。

 

NTC的選擇公式

 

 

對(duì)上面的公式解釋如下：

 

1. Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值；

2. Rn是熱敏電阻在Tn常溫下的標(biāo)稱阻值；

3. B是材質(zhì)參數(shù)；(常用范圍2000K~6000K)

4. exp是以自然數(shù) e 為底的指數(shù)（ e =2.{{71828:0}} ）；

5. 這里T1和Tn指的是K度即開爾文溫度，K度=273.15(絕對(duì)溫度)+攝氏度.

 

開關(guān)電源元器件選型—壓敏電阻

 

 

壓敏電阻的作用

 

1、壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。

2、主要作用：過電壓保護(hù)、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)半導(dǎo)體元器件等。

3、主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。

4、壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管（瞬間抑制二極管）稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。

 

選取壓敏電阻的方法

 

 

壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級(jí)以上的持續(xù)電流，在用作過壓保護(hù)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。壓敏電阻的選用，一般選擇標(biāo)稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個(gè)參數(shù)。

 

1、a為電路電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取值1.2.

2、Vrms 為交流輸入電壓有效值。

3、b為壓敏電阻誤差，一般取值0.85.

4、C為元件的老化系數(shù)，一般取值0.9.

5、√2 為交流狀態(tài)下要考慮峰峰值。

6、V1mA 為壓敏電阻電壓實(shí)際取值近似值

7、通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25℃情況下，對(duì)于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化不超過± 10％時(shí)的最大脈沖電流值。 

 

選取壓敏電阻的方法

 

結(jié)合前面所述，來看一下本電路中壓敏電阻的型號(hào)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)。

 

 

開關(guān)電源元器件選型—EMI電路

 

 

EMI電路

 

 

根據(jù)IEC {{60384:0}}-14,安規(guī)電容器分為X電容及Y電容:

 

X電容是指跨與L-N之間的電容器, 

Y電容是指跨與L-G/N-G之間的電容器.

 

安規(guī)電容之--X電容

 

1、X電容多選用耐紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容。這種類型的電容,體積較大,但其允許瞬間充放電的電流也很大,而其內(nèi)阻相應(yīng)較小。

2、X電容容值選取是uF級(jí)，此時(shí)必須在X電容的兩端并聯(lián)一個(gè)安全電阻,用于防止電源線拔插時(shí),由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時(shí)間帶電。 安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線被拔掉時(shí),在兩秒鐘內(nèi),電源線插頭兩端帶電的電壓(或?qū)Φ仉娢?必須小于原來額定工作電壓的30%。

3、作為安全電容之一的X電容,也要求必須取得安全檢測(cè)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。X電容一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和耐壓AC250V或AC275V字樣,但其真正的直流耐壓高達(dá)2000V以上,使用的時(shí)候不要隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V或者DC400V之類的的普通電容來代用。

4、X電容主要用來抑制差模干擾

5、安全等級(jí) 峰值脈沖電壓 等級(jí)（IEC664）

6、X1 >2.5kV ≤4.0kV Ⅲ

7、X2 ≤2.5kV Ⅱ

8、X3 ≤1.2kV ——

9、X電容沒有具體的計(jì)算公式，前期選擇都是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，后期在實(shí)際測(cè)試中，根據(jù)測(cè)試結(jié)果做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

10、經(jīng)驗(yàn)：若電路采用兩級(jí)EMI，則前級(jí)選擇0.47uF,后級(jí)采用0.1uF電容。若為單級(jí)EMI，則選擇0.47uF電容。（電容的容量大小跟電源功率沒有直接關(guān)系）

 

 

安規(guī)電容之--Y電容

 

1、交流電源輸入分為3個(gè)端子：火線（L）/零線（N）/地線（G）。在火線和地線之間以及在零線和地線之間并接的電容, 這兩個(gè)Y電容連接的位置比較關(guān)鍵,必須需要符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn), 以防引起電子設(shè)備漏電或機(jī)殼帶電,容易危及人身安全及生命。它們都屬于安全電容,從而要求電容值不能偏大,而耐壓必須較高。

 

2、Y電容主要用于抑制共模干擾

 

3、Y電容的存在使得開關(guān)電源有一項(xiàng)漏電流的電性指標(biāo)。

工作在亞熱帶的機(jī)器,要求對(duì)地漏電電流不能超過0.7mA;工作在溫帶機(jī)器,要求對(duì)地漏電電流不能超過0.35mA。因此,Y電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700PF（472）。

 

Y電容的作用及取值經(jīng)驗(yàn)

 

Y電容底下又分為Y1, Y2, Y3，Y4, 主要差別在于:

 

1.Y1耐高壓大于8 kV,屬于雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣|額定電壓范圍≥ 250V

2.Y2耐高壓大于5 kV,屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍≥150V ≤250V

3.Y3耐高壓 ≥2.5KV ≤5KV 屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍≥150V ≤250V

4.Y4耐高壓大于2.5 kV屬于基本絕緣或附加絕緣|額定電壓范圍<150V

GJB151中規(guī)定Y電容的容量應(yīng)不大于0.1uF。Y電容除符合相應(yīng)的電網(wǎng)電壓耐壓外，還要求這種電容器在電氣和機(jī)械性能方面有足夠的安全余量，避免在極端惡劣環(huán)境條件下出現(xiàn)擊穿短路現(xiàn)象，Y電容的耐壓性能對(duì)保護(hù)人身安全具有重要意義。

 

共模電感

 

EMI電路

 

共模電感的作用

 

共模電感上，A和B就是共模電感線圈。這兩個(gè)線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制方向向反)。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼)；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，抑制高速信號(hào)線產(chǎn)生的電磁波向外輻射發(fā)射，達(dá)到濾波的目的。

 

共模電感的設(shè)計(jì)

 

 

第一步： 確定客戶的規(guī)格要求 ， EMI允許級(jí)別

第二步： 電感值的確定

第三步： core（磁芯）材質(zhì)及規(guī)格確定

第四步：繞組匝數(shù)及線徑的確定

第五步：打樣

第六步：測(cè)試

共模電感的電感量計(jì)算

 

EMI等級(jí) : Fcc Class B

已知條件：C2=C7=3300pF

 

 

EMI測(cè)試頻率：傳導(dǎo)150KHz~30MHz。

EMC測(cè)試頻率: 30MHz~3GHz。

 

實(shí)際的濾波器無法達(dá)到理想濾波器那樣陡峭的阻抗曲線，通常可將截止頻率設(shè)定在50KHz左右。在此，假設(shè)Fo=50KHz。則以上，得出的是理論要求的電感值，若想獲得更低的截止頻率，則可進(jìn)一步加大電感量，截止頻率一般不低于10KHz。理論上電感量越高對(duì)EMI抑制效果越好，但過高的電感將使截止頻率將的更低，而實(shí)際的濾波器只能做到一定的帶寬，也就使高頻雜訊的抑制效果變差（一般開關(guān)電源的雜訊成分約為5~10MHz之間）。另外，感量越高，則繞線匝數(shù)越多，就要求磁芯的ui值越高，如此將造成低頻阻抗增加。此外，匝數(shù)的增加使分布電容也隨之增大，使高頻電流全部經(jīng)過匝間電容流通，造成電感發(fā)熱。過高的ui值使磁芯極易飽和，同時(shí)在生產(chǎn)上，制作比較困難，成本較高。

 

共模磁芯的選擇

 

從前述設(shè)計(jì)要求中可知，共模電感器要不易飽和，如此就需要選擇低B-H（磁芯損耗與飽和磁通密度）溫度特性的材料，因需要較高的電感量，磁芯的μi值也就要高，同時(shí)還必須有較低的磁芯損耗和較高的BS（飽和磁通密度）值，符合上述要求之磁芯材質(zhì)，目前以鐵氧體材質(zhì)最為合適，磁芯大小在設(shè)計(jì)時(shí)并沒有一定的規(guī)定，原則上只要符合所需要的電感量，且在允許的低頻損耗范圍內(nèi)，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品體積最小化。

因此，磁芯材質(zhì)及大小選取應(yīng)以成本、允許損耗、安裝空間等做參考。共模電感常用磁芯的μi約在2000~{{10000:0}}之間。

 

 

共模電感圈數(shù)的計(jì)算

 

在本電路中，我們選用的磁芯型號(hào)為

TDK UU9.8

磁芯材質(zhì)PC40

μi值2300

AL值 500nH/N^2

 

 

共模電感線徑的計(jì)算

 

 

J為無強(qiáng)制散熱情況下每平方毫米所通過的電流值，若有強(qiáng)制散熱可選擇6A。

Iin_avg輸入電流平均值

 

2為常數(shù)

 

開關(guān)電源元器件選型—整流橋

 

 

整流橋（橋堆）的計(jì)算

 

 

BUCK電容容值的計(jì)算

 

 

開關(guān)電源元器件選型—RCD鉗位電路

 

高壓啟動(dòng)與RCD箝位電路

 

紅線圈起的電阻為I C的高壓啟動(dòng)電阻，電阻阻值的選擇由IC特性決定。

 

藍(lán)線圈起的部分為RCD箝位電路(也稱為關(guān)斷緩沖電路)。此部分電路主要用于限制MOS關(guān)斷時(shí)高頻變壓器漏感的能量引起的尖峰電壓和次級(jí)線圈反射電壓的疊加，疊加的電壓產(chǎn)生在MOS管由飽和轉(zhuǎn)向關(guān)斷的過程中，漏感中的能量通過D向C充電，C上的電壓可能沖到反電動(dòng)勢(shì)與漏感電壓的疊加值，即：Vrest+ ΔVpp。

 

 

C的作用則是將該部分的能量吸收掉，其容量由下式?jīng)Q定：

C=（Le×Isc^2）/[（ Vrest+ ΔVpp ）^2- Vrest^2]

這里的， Le：漏感，單端反激一般為40~100uH，低于40uH可不考慮，一般取50uH計(jì)算；

Vrest：反電動(dòng)勢(shì)；2*n*Vout

ΔVpp：漏感電動(dòng)勢(shì)的峰值；8%*Vrest

Isc：短路保護(hù)時(shí)變壓器初級(jí)線圈流過的最大電流。Ipk^2

 

RCD電路電阻、二極管的計(jì)算

 

電阻R：

在變壓器下半周期由截至變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，C上的能量經(jīng)R來釋放，直到C上的電壓將到下次MOS管關(guān)斷之前的反電動(dòng)勢(shì)Vrest，在放電的過程中，漏感電動(dòng)勢(shì)ΔVpp是不變的，通過放電常數(shù)R、C和變壓器關(guān)斷時(shí)間的關(guān)系，可以求得R的值，可以按周期T的63%計(jì)算：

 

R×C=0.63T×（ Vrest+ ΔVpp ）/ ΔVpp

注釋：T=1/f f：為變壓器的工作頻率。

R=0.63 （ Vrest+ ΔVpp ）/ （ΔVpp ×f ×C）

其功耗為：P= Le×Isc2×f/2

由于D和C上都有能量消耗，而且放電時(shí)間可能要短，所以該電阻的實(shí)際功耗可按計(jì)算值的一半考慮。

P（實(shí)際）=P（計(jì)算值）/2

關(guān)于D的取值

耐壓值要超過疊加值的10%。

電流要大于輸入電流平均值的10%

同行工程師經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

1、D要選慢速的，對(duì)EMI好；

2.電容選的越大，電壓尖峰越小，也就是RCD吸收的漏感能量越大；

3.R應(yīng)該取值較小才好，R越小，電容放電越快，下個(gè)周期時(shí)就能吸收更多的能量。

4.C選大，R選小，吸收能力較強(qiáng)，且震蕩的周期變長，也就是頻率降低，EMI較好，但損耗也會(huì)較大，故要折中選取。

 

開關(guān)電源元器件選型—Mos管/漏感介紹

什么是漏感？

 

同一個(gè)磁體上兩個(gè)有互感的線圈N1、N2，N1線圈上流過的電流I1產(chǎn)生的磁通￠11分為兩部分，一部分是匝鏈N1、N2兩個(gè)線圈的互感磁通，另一部分只與N1（激勵(lì)線圈）線圈匝鏈，不與N2線圈匝鏈的漏磁通￠1S。對(duì)應(yīng)漏磁通產(chǎn)生的感量，稱之為漏感。

 

漏感，是一種實(shí)際存在的物理參數(shù)，而不是一種叫做電感的物體。

影響漏感大小的因素：漏感的產(chǎn)生跟線圈間耦合的緊密程度、線圈的繞制工藝、磁路的幾何形狀、磁介質(zhì)的性能等有關(guān)。

漏感的作用：漏感會(huì)限制開關(guān)管開通時(shí)的電流上升速度，有降低開通損耗的效果。但沒有降低導(dǎo)通損耗的效果。關(guān)斷的時(shí)候，漏感反而是不利影響。電流由于漏感的存在，下降會(huì)變慢，關(guān)斷損耗會(huì)變大。開通瞬間，由于漏感存在，電流的上升速度降低，漏感呈現(xiàn)的是阻抗形式。電流是從零開始上升的，瞬間電流為零，就形成很大阻抗。

注：漏感不參與能量的傳遞，是變壓器的寄生參數(shù)，應(yīng)當(dāng)越小越好。

 

 

MOS管（開關(guān)管）的選擇

 

 

    MOS管的耐壓選擇：

    Vdss=2*Vdcmax       DS極間耐壓要是兩倍的直流輸入最大電壓

    MOS管的耐電流選擇：

    Idrms=Iout*[1.2(Po/Vdcmin)/1-Dmax]

    Idrms:MOS所通過的電流有效值

    Iout:輸出電流

    Po:輸出功率

    Vdcmin:最小輸入直流電壓值

    Dmax：最大占空比

    MOS的導(dǎo)通損耗計(jì)算

    Psw=Idrms^2*Rds

    有效電流值的平方乘上MOS內(nèi)阻

 

開關(guān)電源元器件選型—反激變壓器

 

變壓器的簡單設(shè)計(jì)

 

 

首先確定已知參數(shù)：

    1）開關(guān)頻率：Fsw；

    2）變壓器的效率：η；

    3）最大占空比：Dmax；

    4）輸入電壓范圍：Vinmin,Vinmax

    5）輸出電壓 Vout

    6）輸出電流Iout

    7）K=0.4(DCM=1,CCM=0.3~0.5)；

    8）輸出二極管管壓降Vf

    9）輔助繞組電壓Vb

    10）輔助繞組二極管管壓降Vfb

 

設(shè)計(jì)步驟一

    輸入功率  Pin=(Vout*Iout) η

    輸入電流平均值 Iin_avg=Pin/(√2*Vinmin*Dmax)

    初級(jí)電感量Lp=(√2*Vinmin*Dmax)^2/2*Pin*Fsw*K

    紋波電流 ⊿I= √2*Vinmin*Dmax/Lp*Fsw

 

設(shè)計(jì)步驟二

    再確認(rèn)參數(shù)

    根據(jù)設(shè)計(jì)功率和結(jié)構(gòu)空間選擇磁芯

    選好磁芯確定磁芯材質(zhì)選出ui值

    確定材質(zhì)找出相對(duì)溫度的Bs(飽和磁通密度)一般選擇60°相對(duì)的Bs.

    找出Ae（磁芯實(shí)際截面面積）、Acw（磁芯總卷線截面面積）、Ve（磁芯實(shí)效體積）值

 

設(shè)計(jì)步驟三

 

    計(jì)算輸入電流峰值Ipk=(Iin_avg*⊿I/2)*1.2

    計(jì)算AP值 AP=Ae*Acw

    計(jì)算初級(jí)圈數(shù)確認(rèn)選擇

        NP1= (√2*Vinmin*Dmax)/ui*Fsw*Ae

        NP2=LP*Ipk/Bs*Ae

        NP= | NP1 if  NP1>NP2

                | NP2 otherwise

    匝比的計(jì)算 n=[Dmax/(1-Dmax)]/Vout+Vf

    次級(jí)線圈的計(jì)算 NS=NP/n

    輔助繞組線圈的計(jì)算Nfb=(Vf+Vfb/Vout+Vf)*NS

    反推驗(yàn)證Dmax

    Dmax=[n*(Vout+Vf)]/[√2*Vinmin+n*(Vout+Vf)]

    氣隙的計(jì)算 Lg=4*3.14*10^-7*NP^2*Ae/Lp

 

關(guān)于反激變壓器的氣隙

 

為什么要開氣隙？

反激變換器中，變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，因而變壓器磁芯處于直流偏磁狀態(tài)，為防磁飽和因此要加入氣隙。

防止磁芯飽和不僅只有開氣隙一種方法，另外一種是增加磁心的體積；不過通常設(shè)計(jì)時(shí)空間已經(jīng)限制了磁芯的大小，所以實(shí)際設(shè)計(jì)中開氣隙的方法應(yīng)用的比較多；

這兩種方法都可以使磁心的磁滯回線變得“扁平”，這樣對(duì)于相同的直流偏壓，就降低了工作磁通的密度。

 

變壓器的線徑選擇

 

變壓器的線徑計(jì)算是有規(guī)定的，特別是反激式電源變壓器更應(yīng)該注意？

自然冷卻時(shí)j=1.5~4A/mm2，強(qiáng)迫冷風(fēng)時(shí)3~5A/mm2。

在不同的頻率下選取d也是不同的，在200KHz以下時(shí)，一般為4~5A/mm2，在200KHz以上時(shí)，一般為2~3A/mm2。

 

 

變壓器的繞制方法

 

為了減少漏感，目前最好的、工藝最簡單的繞制方法是初次級(jí)交錯(cuò)繞法也就是大家常說的三明治繞法。

 

 

開關(guān)電源元器件選型—輸出整流管

 

電動(dòng)自行車電源電路原理圖

 

 

次級(jí)側(cè)電路原理圖

 

 

次級(jí)整流二極管的選型

 

為了降低輸出整流損耗，次級(jí)整流二極管一般選用肖特基二極管，肖特基二極管有較低的正向?qū)▔航礦f，能通過較大的電流。

 

輸出整流二極管的耐壓值

 

    Vout為輸出電壓

    Np為變壓器原變?nèi)?shù)

    Ns為變壓器副邊圈數(shù)

    Vdcmax為輸入最大直流（最大交流的峰值）

    120%為給二極管留的尖峰余量

 

二極管的峰值電流值

 

 

    Ipp為原邊的峰值電流（計(jì)算變壓器時(shí)計(jì)算）

 

次級(jí)整流二極管的有效值電流值（此處為工作在DCM模式）

 

 

    Dmax為最大占空比

 

次級(jí)整流管的熱設(shè)計(jì)

 

    二極管的熱損耗包括正向?qū)〒p耗、反向漏電流損耗及恢復(fù)損耗。因?yàn)檫x用的是肖特基二極管，反向恢復(fù)時(shí)間短和漏電流比較小，可忽略不記。

 

    二極管的PN結(jié)對(duì)環(huán)境的熱阻可以通過DATASHEET查得Rthjc=1.2°C/W

 

        Tj=Rthjc*Vf*Id_rms+Ta

        Ta為工作的環(huán)境溫度

        Tj為二極管工作溫度理論值

        Vf表示二極管的正向?qū)▔航?/div>