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杜佐兵
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FLY反激變換器的設計關鍵參數&工作模式分析

目前我了解的2類IC設計模式:PI-集成MOS的開關方式;ON/O2等控制器+MOS分離的PWM工作模式進行分析!

基本的反激變換器原理圖如下所示,在需要對輸入輸出進行電氣隔離的低功率<75W~的開關電源應用場合,反激變換器(Flyback Converter)是最常用的一種拓撲結構(Topology)。簡單、可靠、低成本、易于實現是反激變換器突出的優點;接下來我將電源的關鍵參數的設計&工作模式進行說明!

我們先來確定系統的輸入輸出參數,進行開關電源關鍵參數的分析設計;關鍵參數我們來分析FLY 的反射電壓VOR 與 工作模式KP或 KRF/KRP的設計!

舉例說明:先進行關鍵參數分析

上面原理圖設計要求:90VAC-265VAC的全電壓范圍;

對應的公式計算應用 100VRMS–Min 來計算輸入電解電容的紋波電流

輸出規格:

12V-2A /2.5A & 110V-0.42A/0.5A;

1.對高效率要求的VOR 設計參考(我的設計經驗)

對于85VAC-265VAC(通用)輸入電壓范圍,VOR推薦:80V-110V最佳范圍

對于165VAC-265VAC(國內)輸入電壓范圍,VOR推薦:100V-120V最佳范圍

分析如下:

變壓器性能相關參數設計分析:

使用基本計算公式;我們將計算公式進行EXCEL自動計算,從而對比參數設計!

計算參考如下:

A.VRO=80V   LP=280uH時   NP=26圈  

B.VRO=90V   LP=280uH時   NP=30圈

對比VRO=80V與 VRO=90V 時其變壓器的原邊圈數有差異;VRO=80V時有最小的圈數;其漏感最小有好的交叉調整率和高的效率!(實踐測試一致OK)

2.工作模式分析KP/KRP

對于關鍵參數FLY反激變壓器,KP=KRP作為反激變壓器中的靈魂參數,該如何對其進行取舍,值得我們深入探討! 

工作模式:即電感電流工作狀態,一般分DCM、CCM、BCM三種(定性分析)。

KP/KRP:描述變壓器/電感電流工作狀態的一個量(定量計算);實際意義;

只要原邊電感電流處于連續狀態,都稱之為CCM模式。而深度CCM模式(較小紋波電流)與淺度CCM模式(較大紋波電流)相比較,電感量相差好幾倍,而淺度CCM模式與BCM、DCM模式的各種性能、特點可能更為相似。顯然需要一個合適的參數來描述所有電感電流的工作狀態。通過設置KP/KRP值,可以把變壓器的電感電流狀態與磁性材料、環路特性等緊密聯系起來。我們也可以更加合理的評估產品設計方案!!

A.對于集成MOS的PI系統對KP的定義

連續模式CCM:如果在次級電流下降到零之前MOSFET開通,則電源工作在連續工作模式。

非連續工作模式(DCM):在非連續工作模式下,當MOSFET開通時,次級電流為零。

B.對于分離的PWM控制的ON/O2系統對KRP=KRF的定義

C.KP=KRP=KRF的工作模式分析

KRP較大時(特別是DCM模式),磁芯損耗一般較大(NP較小),氣隙較小(無氣隙要求,僅滿足LP值),LP較小,漏感會較大,紋波電流較大(電流有效值較高);

KRP較小時(特別是深度CCM模式),磁芯損耗一般較小(NP較大),氣隙較大(有氣隙要求,平衡直流磁通),LP較大,漏感會較小,紋波電流較小(電流有效值較低); 

注:KRP較小時,氣隙也是可以做到較小,但這需要更大的磁芯和技巧;

KRP較大時,磁芯損耗也是可以做的較小,但這同樣需要更大的磁芯和技巧;注意:相同磁芯、開關頻率,DMAX,DCM模式比CCM模式下的輸出功率更大;其實這是不完全對的(至少不符合實際,因為需要限制DMAX,導致空載容易異常),原因在于DCM模式下磁芯損耗會超出你的想象(電應力也會如此);DCM模式下,如果想大幅度降低磁芯損耗,唯一的方法是增大NP,而過大的NP會與LP形成現實沖突(DCM模式下,LP一般較小),造成磁芯氣隙超出你的想象(漏感也會如此);有沒有方法解決這種現實矛盾?答案應該是肯定的,即選擇合適的磁芯結構,如長寬比小且AE大的磁芯(PQ系列),或許會比長寬比大且AE小的磁芯(EER、EEL系列)更加有優勢。

(在DCM模式下,如果限制DMAX,則會比CCM模式下輸出更大的功率) 

KRP較大時,增大DMAX可以在一定程度上降低原邊的紋波電流及有效電流值,但是次級的電流應力會更加惡劣,這種方法(增大/減小DMAX)只適合平衡初次級的電壓、電流應力,應該不是一種很好的設計手段。 

KRP較大時,空載啟動困難,特別是低壓大電流輸出,且空載無跳頻(寬范圍AC輸入時尤其如此,如3.3V10A,特別是超低壓輸出); 

KRP較小時,開關損耗較大,特別是高壓小電流輸出,且開關頻率較高(窄范圍AC輸入時尤其如此,如100V0.5A,特別是高壓輸出); 

注:非低壓大電流產品(如12V5A),KRP較大時,DMAX不能設計的過小,否則空載也會啟動困難,且空載無跳頻(寬范圍AC輸入時尤其如此); 

KRP較大時,動態響應較快,環路補償比較容易(特別是采用電流模式控制); 

KRP較小時,動態響應較慢,環路補償相對困難(特別是采用電壓模式控制); 

KRP較大時,電感電流斜率較急,CS采樣端對噪聲影響不明顯;

KRP較小時,電感電流斜率較緩,CS采樣端可能會受到噪聲影響; 

注:電流模式芯片通常會比電壓模式控制芯片的性能更加優異,但并非所有情況下都是如此。如果輸入電壓較高,輸出功率較小,電流模式芯片可能無法檢測CS電壓,低壓大電流輸出產品在空載時也會出現這種情況(對寬范圍AC輸入,低壓大電流輸出〈甚至非大電流輸出產品〉,如果KRP較大,DMAX又較小,空載極有可能出問題,或許輕載降頻、提高VCC都不一定有效,但是采用某些電壓模式控制芯片,可能會避免此問題)。低壓輸入,輸出功率很大時,電感電流斜率較緩,CS采樣電壓(電阻/互感器)可能很容易受到干擾,如果負載變化較大,也可能會導致CS端采樣異常。也不是所有電流模式芯片均比電壓模式芯片要好,這需要綜合考慮各種因素,包括外圍電路的復雜程度。 

超高壓輸入時,KRP應該設置較大(最好是QR模式),開關損耗會較低;

超低壓輸入時,KRP應該設置較小(最好是深度CCM模式),漏感會較低;

 

推薦KP=KRP選取法則

對于FLY的關鍵參數的設計就是先設計好電氣參數,如初次級的電壓、電流應力,評估各種損耗溫升,考慮到PWM芯片、MOS、二極管各種的特點(先確定好),讓FLY-反激變換器工作在最佳的工作狀態。根據這個最佳的電氣參數,我們來設計變壓器參數,如NP、NS、氣隙等等,最后通過更換磁芯或是微調變壓器的參數結構設計,讓整個變換器都工作在最合理的狀態。參考上面的VRO=80V和VRO=90V的EXCEL的計算表格參數;

對于FLY的設計可以直接引用一些PI的資料,特別是設計流程、軟件操作、芯片資料、包括部分設計思路等等都非常的簡單易學!單并不代表PI的設計理念比其他公司更優秀,多年的PI產品的設計應用是我更熟悉些和了解,而且這些資料都有中文版本,內容詳實,方便初學者追根溯源。 

PI的變壓器設計軟件其實是非常不錯的入門工具,熟練了也可以把它用來設計其它類型的芯片。現在又可以用來設計PFC、正激、LLC等拓撲,已經非常強大了,建議初學者可以多花點時間學習!細節后續再進行補充!

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