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利用计算机设计单片开关电源的方法

利用计算机设计单片开关电源的方法

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J==(14)

将DPm=0.26mm、IRMS=0.32A代入式(14),得到J=6.06A/mm2。电子数据表格中实取6.17A/mm2。

若J>10A/mm2,应选较粗的导线和较大的磁芯骨架,使J<10A/mm2。若J<4A/mm2,应选较细的导线和较小的磁芯骨架,使J>4A/mm2;亦可适当增加NP的匝数。

[步骤20]计算磁芯中的最大磁通密度BMBM=(15)

将IP=0.74A,LP=623μH,NP=54匝,磁芯有效横截面积SJ=0.41cm2代入式(15),计算出BM=0.2082T。电子数据表中实取0.2085T。

需要指出,若BM>0.3T,则需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数,使BM在0.2~0.3T范围之内。如BM<0.2T,就应选择较小的磁芯或减小NP值。

[步骤21]计算磁芯的气隙宽度δδ=40πSJ(16)

式中δ的单位是mm。将SJ=0.41cm2,NP=54匝,LP=623μH,磁芯不留间隙时的等效电感AL=2.4μH/匝2代入式(16),计算出δ=0.22mm。气隙δ应加在磁芯的磁路中心处,要求δ≥0.051mm。若δ小于此值,需增大磁芯尺寸或者增加NP值。

[步骤22]计算留有气隙时磁芯的等效电感ALGALG=(17)

将LP=623μH,NP=54匝,代入式(17),得到ALG=0.214μH/匝2。电子数据表中实取0.215μH/匝2。

需要说明两点:

(1)ALG值必须在选好NP值以后才能确定。



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(2)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NP改变后,NS和NF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J、BM、δ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23]确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM

(1)计算次级峰值电流ISP

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ISP=IP×(18)

将IP=0.74A,NP=54匝,NS=5匝代入式(18),得到ISP=7.99A。

(2)计算次级有效值电流ISRMS

次级纹波电流与峰值电流的比例系数KRP与初级完全相同,区别仅是对次级而言,KRP反应的是次级电流在占空比为(1-DMAx)时的比例系数。因此,计算次级有效值电流ISRMS时,须用下面公式:ISRMS=ISP(19)

表6选择钳位二极管和阻塞二极管

U(V)钳位电压UB(V)钳位二极管阻塞二极管 固定输入:100/11590P6KE91(91V/5W)BYV26B(400V/1A) 通用输入:85~265200P6KE200(200V/5W)BYV26C(600V/1A) 固定输入:230±15%200P6KE200BYV26C

将ISP=7.99A,Dmax=51%,KRP=0.92代入式(19),求得ISRMS=3.35A。电子表格中的计算结果为3.36A。

(3)计算输出滤波电容上的纹波电流IRIIRI=(20)

将ISRMS=3.36A,IO=2A代入式(20),求得IRI=2.70A。

最后计算次级裸导线直径,有公式DSm=·=1.13(21)

将ISRMS=3.36A,J=5.18A/mm2代入式(21),求得DSm=0.91mm。实选0.900mm的公制线规。需要指出,当DSm>0.4mm时,应采用0.4mm的两股导线双线并绕NS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,改善磁场耦合程度,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mm)的计算公式为:DSM=(22)

将b=8.43mm,M=0,NS=5匝代入式(22),求得DSM=1.69mm。可选导线直径DSm≥0.91mm而绝缘层外径DSM≤1.69mm的三重绝缘线。

[步骤24]确定次级整流管、反馈电路整流管的最高反向峰值电压:U(BR)S、U(BR)FB

有公式:U(BR)S=UO+UImax·(23)U(BR)FB=UFB+UImax·(24)

将UO=7.5V,UFB=10.4V,UImax=375V,NS=5匝,NP=54匝,NF=7匝,分别代入以上两式,求得U(BR)S=42.2V,U(BR)FB=59V。这与电子表格中给出的结果完全相同。

[步骤25]选择钳位二极管和阻塞二极管

见表6。对于低功率的TOP200、TOP201、TOP210型单片开关电源,可选UB=180V的瞬变电压抑制器。

[步骤26]选择输出整流管

输出整流管宜采用肖特基二极管,此类管子的压降低、损耗小,能提高电源效率。典型产品有MOTOROLA公司生产的MBR系列。要求管子的最高反向工作电压URM≥2U(BR)S,〔U(BR)S为整流管实际承受的最大反向峰值电压〕;其标称电流IF1≥3IO(IO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100V,仅适合做低压、大电流整流用。当UO≥30V时,需用耐压100V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27]利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT

(1)滤波电容在105℃、100kHz时的纹波电流应≥IRI。

(2)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ESR,符号为r0。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URI由下式决定:

URI=ISP·r0(25)

式中的ISP由步骤23得到。

(3)为减小大电流输出时的纹波电流IRI,可将几只滤波电容并联使用,以降低电容总的r0值和等效电感L0。

(4)COUT的容量与最大输出电流IOM有关。例如,当UO=5~24V、IOM=1A时,COUT取330μF/35V;IOM=2A时COUT应取1000μF/35V。

[步骤28~29]当输出端的纹波电压超过规定值时,应再增加一级LC滤波器

(1)滤波电感L=2.2μH~4.7μH。当IOM小于

1A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。

(2)为减小L上的压降,宜选较大些的滤波电感或增大线径。通常可取L=3.3μH。

(3)滤波电容C取120μF/35V,要求其r0很小。

[步骤30]选择反馈电路中的整流管

见表7。表中的URM为整流管最高反向工作电压,U(BR)FB是由步骤24得到的,要求:

URM≥1.25U(BR)FB(26)

[步骤31]选择反馈滤波电容

应取0.1μF/50V的陶瓷电容器。

表7选择反馈电路中的整流管

整流管类型整流管型号最高反向工作电压URM(V)生产厂家 玻封高速开关硅二极管IN414875国产 超快恢复二极管BAV21200Philips公司 UF4003200GI公司

[步骤32]选择控制端电容及串联电阻

控制端电容一般取47μF/10V,普通电解电容即可。与之相串联的电阻可选6.2Ω/0.25W。在不连续模式下可去掉此电阻。

[步骤33]按从表2中选定的那种反馈电路,选取元器件值。

[步骤34]选择输入整流桥

(1)整流桥的反向击穿电压UBR应满足下式要

求:

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