反激变压器设计思路与分析-器件知识

反激电源由于体积小、成本低、电路简单的特点,受到设计者的追捧。很多初学者也选择了反激变压器进行设计方面的学习起点和研究对象,但是网络上关于反激变压器的...

  反激电源由于体积小、成本低、电路简单的特点,受到设计者的追捧。很多初学者也选择了反激变压器进行设计方面的学习起点和研究对象,但是网络上关于反激变压器的学习资料五花八门且比较零散,本文就将对反激变压器的设计进行从头到尾的梳理,将零散的知识进行整合,并配上相应的分析,帮助大家尽快掌握。
  设计流程
  确认基本技术参数
  温馨提示:应该养成良好的工作习惯,不管产品的功率有多么小,技术多么简单,坚持为每一个产品制作出一份详细的技术规格书。首先要弄清楚自己是要做一个什么样子的产品,这会让设计思路更加明确,以及如何展开下一步的工作。
  技术参数分两种:基本的与详细的。
  基本技术参数一般需要列举的如下(以60W产品为例):
  最小输入电压:85VAC;
  最大输入电压:265VAC;
  输出电压电流:12V5A(精度1%);
  最低效率:85%;
  工作温度:-25~+60℃;
  详细的技术参数比较麻烦,根据不同的情况不同,需要列举的参数有多又少。一般包括:输入输出特性、保护特性、安规、EMC、可靠性、应用环境、产品尺寸、输入输出端口定义、产品标签、外壳标签、产品包装等等。
  输入输出特性
  输入电压范围、输入频率、功率因素、最大输入电流、冲击电流、输出电压范围、输出电流范围、电压调整率、负载调整率、稳压精度、纹波峰峰值、整机效率、待机功耗、开机延迟时间、输出电压上升时间、容性负载、开关机过冲幅度、动态响应时间、动态响应幅度、以及最小启动电压。
  保护特性
  输入欠压保护点、输入欠压恢复点、输入过压保护点、输入过压恢复点、输出过压保护点、输出短路保护方式、过温保护点、过温恢复点。
  温馨提示:对于一些非标准产品,如果不清楚该列举那些参数,建议参考竞争对手的产品资料或者行业内最有影响力的供应商。如果这些资料都没有,就尽量向标准产品的技术指标靠近。
  设计思路(制定设计方案与参考计算)
  根据产品的技术规格找出设计难点及解决措施
  温馨提示:如果你想最大程度的避免失败。设计方案应该在立项初期就经过广泛的内部讨论,到底选用什么方案(如特别功率器件、电容、芯片),多听取周围人的意见,久而久之一定受益匪浅。因为立项前期一般是非正式讨论,如果是新手,一定要避免占用别人过多的时间。
  开关芯片选哪家的?EMI电路如何配置?输入电容取多少?开关频率?MOS如何选?二极管?磁芯?输出电容?好多人在这一步不知如何往下走,下一步将重点分析。
  12V5A,通用输入,标准的配置就是8N60+MBR20100。
  需要注意的是,这个参数不是“算”出来的,因为计算值跟实际情况往往差别非常大,有很大的“弹性”。针对如何选型,首先要考虑的是公司仓库里有什么,能不能用到。设计产品时,应该是设计的变压器参数(电压电流应力等)来满足这些元器件的参数。而不是先设计好变压器,再去寻找半导体元器件,实际开发过程和教材上说的是不一样的。所以,首先要考虑到的是公司目前有没有合适的物料。不管是工模电感、半导体,还是电解电容,优先采用库存物料会大大缩短开发周期和减少各种不确定的因素。
  因为开关电源行业竞争非常激烈,物料选型的第二个原则是:竞争对手选什么。或者是整个行业目前的“流行趋势”,也可以理解为大家都这么干。有时候行业“默认”的做法比第一条原则还要重要。举个例子,相当一部分工业产品“不认可”400V的电解电容,都是450V的,也有部分厂家不认可国产的。再例如,PC电源里面的输入输出电容、磁芯等永远都是那么小!但是这不意味着人家是偷工减料,那个行业都是那样,不然电脑怎么会那么便宜。中小功率产品绝大部分都是600V的MOS,12V输出大部分都是100V的二极管等等……
  物料(参数)选型的第三个原则,就是查阅半导体公司提供的各种应用文档、评估板、设计手册等等。TI、ON、Fairchild、PI、ST、Infineon都有大把技术文章,而且现在比起前几年要“友好”很多,都还是中文的,不看可惜了。物料选型时求助于网路,效率应该是最低的。
  对于60W这个级别的开关电源,我们可以采用下面三种输入电路,修改若干参数后,前面两种结构应用在300W以下应该没有什么问题(需要考虑防雷的场合,输入端还要加强)。仔细察看这三种结构,会发现他们有所相同也有所不同,最大的区别在共模电感配置这一块。


  注:不管有没有强制要求,不管PCB板进出线是端子连接还是导线连接,请给L、N、PE等端口做好清晰、正确的丝印。
  先从输入电路①开始,从头至尾来讲一下。
  输入滤波电路也很难进行精确计算。某些看起来并不太科学(或者并不流行)的设计思路,很多时候往往会非常有用。


  F1:保险管的寿命受输入浪涌电压和浪涌电流的双重影响,应该尽可能采用慢恢复型保险管,一般是按照最大输入电流的两至三倍选取。AC输入时,浪涌电压的影响可能要严重些。电池输入(低压),如果输入端抑制不足,浪涌电流对保险管的影响可能要严重些。AC输入时,在工业场合,浪涌电压也远比民用场合严重,这时防雷器件(参数及结构配置)的设计对保险管的影响尤其突出,必要时还要采用双(三)保险。相关设计过程可以参考专门针对防雷电路、浪涌电流抑制电路的设计文献。单保险管要接在L线上,且玻璃管引线封装最好增加一层热缩套管,并且在PCB板上标明容量。
  RT1:热敏电阻的主要作用是抑制输入浪涌电流,RT1过大,发热严重。RT1过小,可能会影响到保险管和输入电解电容的寿命。输入冲击电流一般是硬性指标,选择RT1时一定要仔细的核实最大冲击电流限制值,如果没有给出这项要求,可以参考同等功率级别的其他类型产品。在全密封条件下,RT的发热可能会非常严重。另外,如果产品要求低温启动测试,RT阻值会变得相当大,很可能导致产品无法正常起机。
  X电容:60W的产品,采用0.47uF的X电容,比较保险。换句话说,30W的产品,应该采用0.22uFX电容,120W的产品采用1uF的X电容。尽管这种方法没有什么科学依据,但是确实屡试不爽。如果喜欢比较有挑战性的工作,那就另当别论了。X电容与Y电容不同,X电容容量大一点也不会让其他地方变得更加恶劣。在成本不是主要因素的情况下,对自己好一点,多留条活路。另外,在图2中,绝大部分人并不认可C4作用,此处存在了很大争议性。
  Y电容:Y电容的配置有两个的,也有四个的;有102的,也有222、472的,有串磁珠的,也有串电阻的,只要EMI都能过,只要泄露电流没超就都OK.总之五花八门,千奇百怪。这也反映出人们内心对于Y电容充满深深的恐惧。其实Y电容并没有错,性能也较为优良,罪魁祸首都在于磁性材料(共模电感、变压器)及接地方式,后续分析。
  MOV1:压敏电阻的计算方式并没有统一标准,一旦对实际情况估算错误(击穿电压偏低),反而会对产品造成严重的危害。在防雷要求不高的民用产品中,一般采用14K471居多,工业场合一般都在500V以上,如14K511,14K561等等。如果你不了解产品的真实用电环境(非居民小区用电),要尽量避免使用500V以下的压敏电阻。不同的行业,采取的防雷措施不尽相同,这一点一定要认真仔细的研究,特别是与多个保险管的配置方面。另外,配置防雷管后,耐压测试时往往会出现误动作,这也是让人头痛的问题。MOV1需要增加热缩套管。
  DB1:小功率产品,选型比较简单。从散热的角度考虑,宽范围60W产品,整流器的最低规格不应该低于2A.在成本不苛刻的条件下,一般采用4A即可。
  对于某些特殊场合,如存在瞬态高浪涌电压,整流器的规格应该进一步增大。有种情况很少见(但确实有存在),有部分工程师选择输入电解电容时,会选择超大的容量(可能是量不大,又是自家用),而浪涌抑制(热敏)电阻的规格却特别小。这时候强大的冲击电流会对保险管和整流器形成致命的威胁。专业的电源制造公司不会出现这种情况,而非专业制造商,在开发系统配套产品时,由于开发人员经验不足,又缺乏严谨的测试规范,而忽略这些潜在的隐患。
  共模电感:上面分别给出了三种配置:
  方案①,这种配置比较多。我们经常看到的情况是:前级一个¢8~¢16的小磁环(30~1000uH),后级采用一个¢20~¢25的大磁环(15~30mH),前级作用在高频,后级低频,高低搭配刚好合适。
  方案②,这种情况也较为常见,前后两个一模一样的共模线圈,非常美观。采用这种配置时,为了保证较好的滤波效果(降低分布电容),每一级的电感量(匝数)不能太高。这样不仅会降低共模电感的分布电容,绕制工艺也会相对简单,而且美观,就是成本较高。
  方案③,一般对EMI要求较低的产品较多使用,低成本EE型共模电感最为常见。部分对成本要求苛刻的产品中,不少人也会采用单个¢18~25左右的磁环来设计,这需要开发人员具备足够的经验及技巧。共模电感的材质、形状、绕制工艺对滤波效果影响较大,而且EMI滤波元件配置与整机结构也有很大的关系。很多人不知道如何去计算共模电感值,下面是一种参考方法(适用于中小功率)。
  100KHZ——30mH
  1.0MHZ——3.0mH
  10MHZ——300uH
  100MHZ——30uH
  5.0MHZ——600uH
  30MHZ——100uH
  在传导测试时,3*F、1MHZ、5MHZ、20~30MHZ这四个点容易出问题。
  注:
  1、这种方法,只具有规律性,而没有科学性;
  2、共模电感的材质、形状、绕制工艺对其滤波效果影响非常大;
  3、共模电感不会饱和(对称绕制),但会产生较高的浪涌电压;
  4、共模磁环,最好只绕两层,在磁环绕制工艺方面建议多下点功夫;
  5、共模滤波的设计原则是如何让其更有效;
  压敏电阻的计算需要考虑到输入阻抗(热敏电阻、差模电感、共模电感)、保险管容量、CIN大小等等多种因素。(特别是很多产品的保险管并不是单纯的熔丝,而且压敏电阻也并不一定是刚好在FUSE之后。而且L-N与L、N-PE测试时,需要分别考虑其影响。)
  EMC中的四级只是一个测试标准,没办法去量化计算,符不符合要求,应该取决于以下四点:
  1、输出电压有没有跌落(保护)现象;
  2、产品会不会损坏;
  3、保险管是否存在严重的损伤;
  4、共模电感的飞弧控制措施;
  Cin、Vacmin、Vdcmin之间的秘密
  85~265VAC输入,12V5A输出。
  ①现实情况:选择100uF/400V的电解电容,估计不会引起太大争议。
  ②3uF/W法则:3uF﹡60W=180uF,考虑到效率因素,选择220uF.
  由于Ton、Ae、Bac都可以轻松计算出来(如果定义为已知量),那么,Np的大小,完全是由Vdcmin决定的。很明显,此时Vdcmin也决定了LP的大小。而很多人的计算流程关于Vdcmin的描述比较简单,估计是受教科书的影响,准确来说是没有真正理解。
  假设环境温度25℃,60W输出,85%的效率,Vdcmin计算值如下:
  (Vdcmin受多种因素影响,下面的数据是采用PI公司的电子数据表格计算出来的,仅供参考)


  经典、权威教材无一例外的提到:Vdcmin=Vacmin﹡1.414,实际情况并非如此,那么问题出在哪里?可以肯定的是,这些教材在Vdcmin计算问题上,犯错的可能性较小。好多人设计产品时,不假思索的引用Vac*1.414,而从来不顾虑到Cin容量的大小。
  Vdcmin=Vacmin﹡1.414
  成立的前提条件是——必须定义合理的纹波电压百分比。(纹波电压百分比=Vdcmax-Vdcmin/Vdcmax;Vdcmax=Vacmin*1.414)
  换句话税,Cin必须满足Vdcmin,否则公式不成立。这也是Cin在宽范围输入时选取3uF/W,窄范围输入选取1uF/W的由来。说句题外话,很多12V5A的适配器,采用100uF的电解电容,但是其输入电压范围却是100~265VAC,会是这个原因吗?
  Cin选取法则:
  1、宽范围输入3uF/W,窄范围输入1uF/W;
  2、宽范围输入,确保纹波电压不高于15%(即保证Vdcmin≈100V);
  窄范围输入,确保纹波电压不高于20%(即保证Vdcmin≈200V);
  3、如果Vdcmin不足,增大Cin容量,直至纹波电压满足要求;
  4、如果考虑到寿命因素,Cin需要在此基础上进一步增大;
  5、Cin的容量受低温的影响非常明显,此时Cin需要在此基础上进一步增大;
  6、Cin也有纹波电流限制的要求,但关注较少。
  7、如果不晓得如何计算Vdcmin,也没有安装软件,那就拿起示波器去实测吧!要求低温工作时,更应该如此。
  本篇文章是一个不错的开始,从一个经验丰富的电源设计者角度,对反激变压器的基础参数设计,以及设计思路进行了梳理和分析,这对初学者来说是有很大的价值的。在下一节当中,小编将为大家带来关于工作模式的一些分析,欢迎大家继续关注。

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