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精通开关电源设计(笔记) - 图文

来源:用户分享 时间:2025/11/16 16:33:40 本文由loading 分享 下载这篇文档手机版
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所有拓扑的占空比方程推导 Von*ton=Voff*toff ; Ton/toff=Voff/Von ;

Ton/(ton+toff)=Voff/(Voff+Von); 得

D=Voff/(Von+Voff)

降压Buck

Von=Vin-Vo ;(Von=Vin-Vsw-Vo) Voff=Vo ; (Voff=Vo-(-VD)=Vo+VD))

升压Boost

Von=Vin;(Von=Vin-Vsw)

Voff=Vo-Vin;(Voff=Vo+VD-Vin)

升降压 Buck-Boost

Von=Vin ;(Von=Vin-Vsw) Voff=Vo ; (Voff=Vo+VD)

最恶劣输入电压选择

与峰值电流有关

三拓扑峰值电流计算与最恶劣电压考虑; IAC=△I/2

电流纹波率r=△I/IL=2*Iac/Idc LxI方程

(L*IL)=Et/r ;(所有拓扑); 综上可得:△I=Et/L;

降压Buck

Iac=△I/2=Et/(2*L)=Vo*(1-D)/(2*L*f) ; Idc=Io ;

Ipk=Io*(1+r/2) ;

对于降压变换器,总是优先从VinMAX(即Dmin)开始电感设计;

升压Boost

Iac=△I/2=Et/(2*L)=(Vin*D)/(2*L*f)=(Vo*D*(1-D))/(2*L*f) ; Idc=Io/(1-D) ;

Ipk=Io/(1-D)*(1+r/2) ;

对于升压变换器,总是优先从VinMIN(即Dmax)开始电感设计;

升降压Buck-Boost

Iac=△I/2=Et/(2*L)=Vo*(1-D)/(2*L*f) ; Idc=Io/(1-D) ;

Ipk=Io/(1-D)*(1+r/2) ;

对于升降压变换器,总是优先从VinMIN(即Dmax)开始电感设计;

选择电感流程 L*I方程

(L*IL)=Et/r ;(所有拓扑);

即 LxI=伏秒积/电流纹波率;(所有拓扑); (1)确定最恶劣电压;

(2)计算占空比;[ D=Voff/(Von+Voff) ] (3)计算周期T=1/f;

(4)计算伏秒积(Von*ton); (5)设r=0.4,计算LxI;

(6)根据负载电流Io和占空比D计算,电感电流IL;(IL=Io(buck); IL==Io/(1-D)(Boost和Buck-Boost);

(7)根据Et、IL,计算但电感值(uH);时间单位(us); (8)计算Ipk,电感额定值电流不小于Ipk;

校验磁芯是否饱和

B=L*I/N*A ;(电流型方程)

Bac=Von*D/(2*N*A*f) ;(电压型方程) B为磁通密度(或磁感应强度),单位为特斯拉(T)或韦伯每平方米(Wb/m2);

H为磁场强度、磁场密度、磁化力、外加场等,单位是A/m; B=uH; (u是材料的磁导率,MKS单位制中B=uc*H更合适,uc材料磁导率,u0空气磁导率(MKS:4π*10-7 H/m;CGS: 1),u是相对磁导率。) L电感量(单位H),I电流(单位A),N匝数,A面积(单位m2); Bpk=L*Ipk/N*A

Bpk一般不能大于0.3T,否则会出现磁饱和;反之可以通过0.3T反推Ipk,当电流达到反推出Ipk时不能通过增加匝数提高电感量。

根据所选择的电感反推是否合适 1. 电流纹波率(约0.3-0.5之间) 由(L*IL)=Et/r 得r=Et/(L*IL);

实际r接近(并小于)要求的r,则可以接受;

r小于0.4,电感体积要求越大,超过0.4后,提高r电感体积并不会减少太多;

r大于0.4后,电容电流明显增加,发热严重需要选用更低ESR或更低壳对空气热阻的电容(更贵,更大型)。 2. 峰值电流

实际运用Ipk(r和IL由实际条件计算得到)要小于标定Ipk(r和IL由数据手册得到计算得到);

3. 磁通密度

用伏秒积来分析电压方程

△B=(L*△I)/(N*A)=Et/(N*A)(单位:T); (MKS单位制,面积A的单位是m2) △B=100*Et/(N*A)(单位:G); (CGS单位制,面积A的单位是cm2)

举例:Et100 =10.12Vus 则意着产生100G的Bac需要伏微秒积为10.12。因为Bac=△B/2,所以相应的△B为200G(每10.12Vus)。注意,G代表的单位是高斯。 前面介绍过的△B和Et的关系式: △B=100*Et/(N*A) (所有拓扑);

既然(对于给定电感)△B和Et成正比,可以断定所选成品电感的设计磁通密度变化量为 △B=Et/Et100*200=59.4/10.12*200=1174G (所有参数见电感规格表); 设计的峰值磁通密度为

Bpk=[(r+2)/(2*r)]*200 (所有参数见电感规格表) (

推导:

由 r=2Iac/Idc=2Bac/Bdc 得 Bpk=[(r+2)/(2*r)]*△B ; Ipk=[(r+2)/(2*r)]*△I ; )

计算实际应用中△B和Bpk(Et,r,△B由应用条件求得)

根据L/NA=Bpk/Ipk 计算的比例常数(参数由应用条件求得);根据匝数、电感量、面积反推验证结果。

4. 铜损、线圈损耗 电流有效值的平方方程

IRMS2=△I2/12+Idc2=Idc2(1+r2/12) ; (所有拓扑); 铜损

Pcu=IRMS2 * DCR ;(所有拓扑);

5、磁芯损耗 Pcore

见规格书的磁芯损耗方程,与B和f有关。(需要分清楚B,Bac,△B的关系); 铁氧体电感占总损耗的5%-10%,铁粉电感占20%-30%; 铁粉芯饱和特性更软,可以承受很大的非正常电流而不导致开关管瞬间损坏。但其中粘合铁粒子的有机粘合剂会降解,存在寿命问题。

6、温升

Rth=△T/W (单位:℃/W) (所有拓扑,参数见电感数据手册) P=Pcu+Pcore; △T=Rth*P ; 验证完成。

计算其他最恶劣应力 见P97;

反激式变压器基础

匝比n=np/ns ;np 一次绕组匝数,ns 二次绕组匝数 ;

反激变换器直流传递函数

Von Voff 占空比D 原边侧 Vin VOR=(Vo+VD)/n 副边侧 VINR=Vin/n Vo+VD D=Voff/(Von+Voff) D=Vo/(VINR+Vo) D=VOR/(VIN+VOR) D=nVo/(VIN+nVo)

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