topswitch单端反激式开关电源设计

topswitch单端反激式开关电源设计内容摘要：

的 BZX85C 系列（ THOMSON）； 的 BZY97(PHILIPS、 THOMSON、 FAGOR)。 的 BZV47C（ THOMSON）； 的 BZD23（ PHILIPS）； 的 BZT03（ PHILIPS， TEMIC）； 的 1N53xx 系列（ MOTOROLA、 THOMSON）； 的 BZW03/D（ TEMIC）。 （ 4）步骤 6 设置脉动电流 RI 与峰值电流 PI 的电流比例因数 RPK。 参见图 317，对应公式： RPK = RPII （ 327） 在大多数连续工作状态下，对于电网为 100～ 115 ACV 或者通用输入交流电压时，先取电流比例因数 RPK =；在 230 ACV 电网输入时，取 RPK =。 当连续工作状态较少时， RPK会增加到较高值。 按上述定义， RPK 不会大于 ，且也不可能被设置在比 更小的数值。 许多设 计师宁可采用非连续状态（ RPK =）设计，这样控制环路较容易稳定。 当采用 TOPSwitch 时，由于建立了环路的补偿，使它能利用一个简单的外部 RC 网络来稳定环路，而不受工作状态影响。 设计 RPK 在上述推荐值，它允许连续工作状态在低电网输入时，在给定的输出功率条件下使原边峰值电流为最小，并且在应用允许使用尽可能小的复合ICTOPSwitch 器件。 在电网电压为 230 ACV 时，推荐 RPK =(比较在电网电压为 100/115 ACV 和通用输入时取 RPK =)。 其重要的原因是为了适应开通使漏极出现较高电流峰值，它是由于漏极结电容在较高电平是放电引起的。 （ 5）步骤 7 确定原边波形参数 AVGI 、 PI 、 RI 、 RMSI。 电流比例因数 RPK 和最大占空比 MAXD 确定之后，就能知道原边电流波形。 由电流波形的简单几何图形，很容易推导作为平均电流值 AVGI 函数的原边峰值电流 PI 、脉动电流 RI 和有效值（ RMS） 电流 RMSI 的计算公式： [1 ( / 2 )]AVGP RP M AXII KD  （ 328） 根据平均电流值 AVGI 、峰值电流 PI 和最大占空比 MAXD ，可计算出脉动电流： 2 ( )AVGR P P R PM A XII I I KD     （ 329） 有效值电流 RMSI 的计算，可根据最大占空比 MAXD 、原边峰值电流 PI 及比例因数 RPK 得出。 有效值电流 RMSI 还可以有最大占空比 MAXD 、峰值电流 PI 和脉动电流 RI 直接计算出来： 2( 1 )3RPR M S P M A X R PKI I D K   （ 330） 22()3RR M S M A X P P R II D I I I   （ 331） 电网交流电压输入全桥整流器的有效电流值计算值如下： 0 2A C R M S DA C M INPIIV P F （ 332） 式中（ 332）中， DI 是全桥整流器的额定有效（ RMS）电流值， ACMINV 使电网输入最小交流电压值， PF 则是电源的功率因数（起典型值为 ～ 之间，如果说没有可利用的参考数据，则取 PF=）。 高压整流二级管的反向电压值为： ( )R A C M A XVV   （ 333） 在低电网电压条件下，变换器原边的 平均输入直流电流值 AVGI 可由输入功率除以 MINV得到，而输入功率则等于输入功率除以效率，则： 0INAVG MIN MINPPI VV （ 334） （ 6）步骤 8 根据 TOPSwitch 数据库中的最小电流限制 LIMITI 和要求的 PI 值（见式（ 328）），来确定选用 TOPSwitch 的合理型号。 0. 9 LIMITI ≥ PI 这是因为在产品资料中的电流限制最小值 LIMITI 是在室温下的，为了适应高温使该参数的少量降低，必须考虑 LIMITI 在高温时下降 10%来计算，并且把该值与数据库的最小限制电流 LIMITI 作比较。 大于 该 LIMITI 数值的最小功率的 TOPSwitch，应当是作为最低功耗的首选器件。 （ 7）步骤 10 如果有必要减少功耗，可用较大的 TOPSwitch 来检验热温升限制。 在低电网输入电压时，计算 TOPSwitch 得导通的损耗： 2 ()IR RMS DS ONP I R （ 100℃高温下） （ 335） 在低电网电压条件下计算 TOPSwitch 的开关损耗 CXTP ： 2(1 / 2) ( )CX T X T M A X O RP C V V fs   (336) 式中 XTC 是漏极的外部结电容。 作为总损耗的函数，可用下式来计算的 TOPSwitch 结点温度： JT =25℃ +( IRP + CXTP ) JA 如果 JT ＞ 100℃，那么应当选用更大功率的 TOPSwitch 结点温度。 （ 8）步骤 11 检验选择的 TOPSwitch 最小值 LIMITI ，并对照所需 PI ，如果有必要（在最少的连续工作状态下工作），可增大 RPK。 在低电网电压时采用连续状态工作，可增加在给定输出功率下的峰值电流，允许使用更小的 TOPSwitch。 如果这样设计，可以通过增大 RPK 的值，来逐步实现在磁芯尺寸与TOPSwitch 之间的折衷。 在 TOPSwitch 价格较高时，较大的 RPK 允许使用较小的磁芯；而较大的 RPK 就意味着较少的连续工作状态和较低的电感量 PL ，但是峰值电流 PI 更高。 采用多种设计方法来 有效增加电流能力，选择最适中的（尽可能小的） TOPSwitch，这是很重要的一项考虑。 通过采用提高 RPK 来缩小磁芯的尺寸，它除了影响变压器的磁芯尺寸之外， RPK 还影响了点源的效率。 较大的 RPK 会引起较高的原边有效值（ RMS）电流 RMSI ，增大 TOPSwitch的导通损耗；而较小的 RPK 则会让 RMSI 更小，能进一步降低 TOPSwitch 的损耗。 对物理尺寸、重量及所需效率密切相关的应用，让 RPK 取中间值时，可在损耗与效率之间能提供最佳的解决方案。 虽然该设计方法是考虑能使用最大的 RPK 值，但一经选了 TOPSwitch 器件，对于其他的设计选择，灵活性也是存在的。 有经验的工程师应自己来判断 RPK 的取值。 （ 9）步骤 12 确定原边绕组电感量 PL。 原边电感量 PL 是由于下面计算反激式变压出能方程式来确定的，而反激变压器的储能是与原边电流的平方成正比的。 当 TOPSwitch导通时，原变电流线性的成斜坡状升高，即前面所确定的脉动电流 RI ，并增加反激变压器中的储能。 而当 TOPSwitch 截止时，与脉动电流 RI 有关的储能增量，将提供给负载和副边损耗（整流器和箝位管）。 原边电感量 PL 的计算如下式： 602 10 (1 )(1 / 2 )P R R P R PP ZL I K K fs   （ 337） 式中， 0P 是输出功率，  是电源的效率， Z 是损耗分配因数， PI 是峰值电流， fs 是开关频率，而 RPK 是脉动电流与峰值电流的比例（由 RI 来确定）。 由于在每个开关周期中，从原边到副边的传递能量，仅在于（ 1/2） 2PPLI 和（ 1/2） 2()P P RL I I 之差。 如果 Z=，所有的损耗都在副边；如果 Z=0，则所有的损耗都在原边。 Z 是副边损 耗与总损耗的比例值。 如果没有更好的参 数信息，应当取 Z=。 原边电感量 PL 也可用如下参数的函数来确定：脉动电流 RI 、有效原边电压)( DSMIN VV  、最大占空比 MAXD 、开关频率 Sf ，参见式（ 3－ 38）。 但由于损耗分配因数 Z和 TOPSwitch 导通时漏极到源极电压 DSV 的选择值不同，将会引起原边电感量的少 量差异。 上面给出的储能方程式用电感值 PL ，而下面给出的脉动电流方程式，是检验电路测量 PL 值的方法之一： 6)( 10)( SRM A XDSM INM E A SU R E DP fI DVVL (338) 原边绕组匝数 PN 由下式决定： M A XM A XDODSM INSP DDVV VVNN  1 (339) （ 10）步骤 1 1 17 等 设计副边绕组匝数 sN 、偏置绕 组的匝数 BN。 可由输出电压 0V 、输出二极管正向电压 DV 、副边绕组匝数 SN 、指标偏置电压 BV 和偏置二极管电压 BDV 来计算 BN ： SDBDBB NVV VVN  0 （ 340） LGA 是加气隙的磁芯有效电感（ nH/匝数平方）。 某些磁芯按规范的 LGA 提供了标准的气隙设置。 变压器的制造商或是按给予的 LGA 值来获得有气隙的磁芯，或是在完成变压器时用研磨气隙来满足电感量的规范。 LGA 也可以用于简化随后的计算，它是根据原边电感)( HLP  和原边绕组匝数 PN 来得到。 注意 LGA 的参数单位是 nH/匝数平方： 21000 ppLG NLA  （ 341） 最大磁通密度 mB 被控制在 2020~3000GS（高斯）范围内，它受副边绕组匝数 PN 的变化影响，而这直接改变了原边绕组匝数 PN ，如前面所述。 最大磁通密度 mB 可由下面几个参数得到：原边峰值电流 PI ，原边绕组匝数 PN ，有效气隙电感量 LGA ，以及有效的磁芯横截面积 eA。 mB 还能由有效原边电压 )( DSMIN VV  、输出电压 0V 、输出二极管电压 DV 和最大占空比 MAXD 计算得到： eLGPPM AAINB 10 (342) M A XM A XDDSM I NeLGPS DDVV VVAAIN  1100 (343) ACB 是交流磁通密度分量，下面方程式给出了峰值交流磁通密度（而不是指峰－峰值）的计算式，它利用磁芯厂家提供的磁芯损耗曲线。 ACB 可由最大磁通密度 mB 、脉动与峰值之比的电流因数 RPK 计算出来。 它还可以用有效原边电压 )( DSMIN VV  、最大占空比、开关频率、有效磁芯截面积、原边匝数 PN 等五个参数计算得到： PeSM A XDSM I NRPmAC NAf DVVKBB 2 10)(2 8 (344) 应计算无气隙磁芯的相对导磁率 r ，以估算气隙长度 gL。 它是从磁芯参数 )( 2cmAe 、)(cmLe 和无气隙时的有效电感量 LA 来得出的：  eeLr ALA (345) 气隙长度 )(mmLg 的大小可由下式计算出来： 2   rePePg LL ANL  (346) LPPeg ALNAL 110 0040 2    (347) 式中， PN 是原边绕组的匝数， eA 是磁芯的有效截面积值， PL 是原边绕组的电感量）（ H , eL 是磁芯的有效磁路长度， r 是有效导磁率。 上式中的磁芯截面积 eA 和无气隙时的有效电感量 LA ，可由磁芯的数据表中得到。 变压器的骨架有效绕组宽度 EBW ，取决于骨架的物 理尺度宽度 BW 、边界限度 M 和骨架绕线层数 XL ：  )2( MBWLBW XE  (348) 原边绕制漆包线的最大直径 OD(mm)，可由有效骨架宽度 EBW 和原边绕组匝数 PN 得到： PENBWOD (349) 偏置绕组通常用相同于原边直径的导线来卷绕，以减少不同导线品种。 另外，原 边绕组的匝数与副边绕组匝数的关系，还可由反射输出电压 ORV 与副边输出电压 OV 、整流输出二极管正向电压 DV 之和的比值来得到： )( DO ORSP VV VNN  (350) 副边峰值电流 SPI 可由原边峰值电流 PI 和原边与副边的匝数比SPNN 来得到： SPPSP NNII  (351)。