开关电源设计步骤步骤1 确定开关电源的基本参数
① 交流输入电压最小值umin
② 交流输入电压最大值umax
③ 电网频率Fl 开关频率f
④ 输出电压VO(V):已知
⑤ 输出功率PO(W):已知
⑥ 电源效率η:一般取80%
⑦ 损耗分配系数Z:Z表示次级损耗与总损耗的比值,Z=0表示全部损耗发生在初级,Z=1表示发生在次级.一般取Z=0.5
步骤2 根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB
步骤3 根据u,PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin
① 令整流桥的响应时间tc=3ms
② 根据u,查处CIN值
③ 得到Vimin
确定CIN,VImin值
u(V) PO(W) 比例系数(μF/W) CIN(μF) VImin(V)
固定输入:100/115 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
通用输入:85~265 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90
固定输入:230±35 已知 1 PO ≥240
步骤4 根据u,确定VOR、VB
① 根据u由表查出VOR、VB值
② 由VB值来选择TVS
u(V) 初级感应电压VOR(V) 钳位二极管反向击穿电压VB(V)
固定输入:100/115 60 90
通用输入:85~265 135 200
固定输入:230±35 135 200
步骤5 根据Vimin和VOR来确定最大占空比Dmax
① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON)
② 应在u=umin时确定Dmax值,Dmax随u升高而减小
步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP,KRP=IR/IP
u(V) KRP
最小值(连续模式) 最大值(不连续模式)
固定输入:100/115 0.4 1
通用输入:85~265 0.4 1
固定输入:230±35 0.6 1
步骤7 确定初级波形的参数
① 输入电流的平均值IAVG
② 初级峰值电流IP
③ 初级脉动电流IR
④ 初级有效值电流IRMS
步骤8 根据电子数据表和所需IP值 选择TOPSwitch芯片
① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10%,所选芯片的极限电流最小值ILIMIT(min)应满足:0.9 ILIMIT(min)≥IP
步骤9和10 计算芯片结温Tj
① 按下式结算:
Tj＝[I2RMS×RDS(ON)+1/2×CXT×(VImax+VOR) 2 f ]×Rθ+25℃
式中CXT是漏极电路结点的等效电容,即高频变压器初级绕组分布电容
② 如果Tj>100℃,应选功率较大的芯片
步骤11 验算IP IP=0.9ILIMIT(min)
① 输入新的KRP且从最小值开始迭代,直到KRP=1
② 检查IP值是否符合要求
③ 迭代KRP=1或IP=0.9ILIMIT(min)
步骤12 计算高频变压器初级电感量LP,LP单位为μH
步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架,查出以下参数:
① 磁芯有效横截面积Sj(cm2),即有效磁通面积.
② 磁芯的有效磁路长度l(cm)
③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2)
④ 骨架宽带b(mm)
步骤14 为初级层数d和次级绕组匝数Ns赋值
① 开始时取d＝2(在整个迭代中使1≤d≤2)
② 取Ns=1(100V/115V交流输入),或Ns=0.6(220V或宽范围交流输入)
③ Ns=0.6×(VO+VF1)
④ 在使用公式计算时可能需要迭代
步骤15 计算初级绕组匝数Np和反馈绕组匝数NF
① 设定输出整流管正向压降VF1
② 设定反馈电路整流管正向压降VF2
③ 计算NP
④ 计算NF
步骤16~步骤22 设定最大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ,进行迭代.
① 设置安全边距M,在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm,在110V/115V交流输入时M=1.5mm.使用三重绝缘线时M=0
② 最大磁通密度BM=0.2~0.3T
若BM>0.3T,需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP,使BM在0.2~0.3T范围之内.如BM<0.2T,就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值.
③ 磁芯气隙宽度δ≥0.051mm
δ＝40πSJ(NP2/1000LP-1/1000AL)
要求δ≥0.051mm,若小于此值,需增大磁芯尺寸或增加NP值.
④ 初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2
若J>10A/mm2,应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架,使J<10A/mm2.若J<4A/mm2,宜选较细的导线和较小的磁芯骨架,使J>4A/mm2;也可适当增加NP的匝数.
⑤ 确定初级绕组最小直径(裸线)DPm(mm)
⑥ 确定初级绕组最大外径(带绝缘层)DPM(mm)
⑦ 根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带be(mm) be=d(b-2M)
然后计算初级导线外径(带绝缘层)DPM:DPM＝be/NP
步骤23 确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm
① 次级峰值电流ISP(A) ISP=IP×(NP/NS)
② 次级有效值电流ISRMS(A)
③ 输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)
⑤ 次级导线最小直径(裸线)DSm(mm)
⑥ 次级导线最大外径(带绝缘层)DSM(mm)
步骤24 确定V(BR)S、V(BR)FB
① 次级整流管最大反向峰值电压V(BR)S V(BR)S＝VO+VImax×NS/NP
② 反馈级整流管最大反向峰值电压V(BR)FB V(BR)FB＝VFB+ VImax×NF/NP
步骤25 选择钳位二极管和阻塞二极管
步骤26 选择输出整流管
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COUT在105℃、100KHZ时的纹波电流应≥IRI
② 要选择等效串连电阻r0很低的电解电容
③ 为减少大电流输出时的纹波电流IRI,可将几只滤波电容并联使用,以降低电容的r0值和等效电感L0
④ COUT的容量与最大输出电流IOM有关
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=2.2~4.7μH.当IOM<1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠;大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈.
② 为减小L上的压降,宜选较大的滤波电感或增大线径.通常L=3.3μH
③ 滤波电容C取120μF /35V,要求r0很小
步骤30 选择反馈电路中的整流管
步骤31 选择反馈滤波电容
反馈滤波电容应取0.1μF /50V陶瓷电容器
步骤32 选择控制端电容及串连电阻
控制端电容一般取47μF /10V,采用普通电解电容即可.与之相串连的电阻可选6.2Ω、1/4W,在不连续模式下可省掉此电阻.
步骤33选定反馈电路
步骤34选择输入整流桥
① 整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2 umax
② 设输入有效值电流为IRMS,整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS.计算IRMS公式如下:
cosθ为开关电源功率因数,一般为0.5~0.7,可取cosθ＝0.5
步骤35 设计完毕
在所有的相关参数中,只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内.它们是最大磁通密度BM(要求BM=0.2T~0.3T)、磁芯的气隙宽度δ(要求δ≥0.051mm)、初级电流密度J(规定J=4~10A/mm2).这3个参数在设计的每一步都要检查,确保其在允许的范围之内.
电源开关设计论文怎么写
基于51单片机控制的开关电源设计，思路可参考如下:用内部定时器产生一个固定开关频率，用来给开关管提供开关信号。另外用ADC或者内部ADC，采集输出电压，在输出电压偏低的情况下，增大方波信号占空比，反之，减小占空比。达到一种平衡状态，并稳定输出。
一种USB电源开关的设计 摘要: 设计了一种低导通损耗的USB电源开关电路。该电路采用自举电荷泵为N型功率管 提供足够高的栅压,以降低USB开关的导通损耗。在过载情况下,过流保护电路能将输出电流限 制在0.3 A。 关键词: USB开关;自举电荷泵; N型功率管;过流保护 1引言 通用串行总线(Universal Serial Bus)使PC机 与外部设备的连接变得简单而迅速,随着计算机以 及与USB相关便携式设备的发展,USB必将获得 更广泛的应用。由于USB具有即插即用的特点,在 负载出现异常的瞬间,电源开关会流过数安培的电 流,从而对电路造成损坏。 本文设计的USB电源开关采用自举电荷泵,为 N型功率管提供2倍于电源的栅驱动电压。在负载 出现异常时,过流保护电路能迅速限制功率管电流, 以避免热插拔对电路造成损坏。 2 USB开关电路的整体设计思路 图1为USB电源开关的整体设计。其中,VIN 为电源输入,VOUT为USB的输出。在负载正常的情 况下,由电荷泵产生足够高的栅驱动电压,使 NHV1工作在深线性区,以降低从输入电源(VIN 到负载电压(VOUT)的导通损耗。当功率管电流高于 1 A时,Current-sense输出高电平给过流保护电路 (Current-limit);过流保护电路通过反馈负载电压 给电荷泵,调节电荷泵输出(VPUMP),从而使功率管 的工作状态由线性区变为饱和区,限制功率管电流, 达到保护功率管的目的。当负载恢复正常后,Cur- rent-sense输出低电平,电荷泵正常工作。 3 电荷泵设计 图2为一种自举型(Self-Boost)电荷泵的电路 原理图。图中,Φ为时钟信号,控制电荷泵工作。初 始阶段电容,C1和功率管栅电容CGATE上的电荷均 为零。当Φ为低电平时,MP1导通,为C1充电,V1 电位升至电源电位,V2电位增加,MP2管导通。假 设栅电容远大于电容C1,V2上的电荷全部转移到 栅电容CGATE上。当Φ为高电平时,MN1导通,为 C1左极板放电,V1电位下降至地电位,V2电位下 降,MP2管截止,MN2管导通,给电容C1右极板充 电至VIN。在Φ的下个低电平时,V1电位升至电源 电位,V2电位增加至2VIN,MP2管导通,VPUMP电 位升至2VIN-VT。 自举电荷泵不需要为MN2和MP2提供栅驱 动电压,控制简单[1],但输出电压会有一个阈值损 失。图3是改进后的电荷泵电路图,Φ1和Φ2为互 补无交叠时钟。由MN2、MN5、MP3、MP2和电容 C2组成的次电荷泵为MN4、MP4提供栅压,以保证 其完全关断和开启。当Φ1为低电平时,MP1导通, 电位增加,此时,V3电位为零,MP4导通,V2上的电 荷转移到栅电容CGATE上,VPUMP电位升高。当Φ1为 高电平时,MP2导通,为C2充电,V4电位上升至电 源电位,V3电位随之上升,MP3导通,VPUMP电位继 续升高。MN3相当于二极管,起单向导电的作用。 在VPUMP电压升高到VIN+VT以后,MN3隔离V3 到电源的通路,保证V3的电荷由MP3全部充入栅 电容。这样,C1和C2相互给栅电容充电,若干个时 钟周期后,电荷泵输出电压接近两倍电源电压[2]。 在电荷泵输出电压升高的过程中,功率管提供的负 载电流逐渐上升,避免在容性负载上引起浪涌电流 4 过流保护电路设计 当出现过载和短路故障时,负载电流达到数安 培,需要精确的限流电路为功率管和输入电源提供保 护。对于MOS器件,只有工作在饱和区时的电流容 易控制。限流就是通过反馈负载电压,调节电荷泵输 出电压来实现的。图4是限流电路的原理图。 N型功率管NHV的源与P型限流管MP6的 栅相接,N型功率管NHV的栅与P型限流管MP6 的源相接。从而达到控制功率管栅源压降的目的。 当负载电流超过1 A时,电流限信号(VLIMIT)为高 电平,MN7导通,栅电荷经MP6流向地,栅电压减 小,功率管工作在饱和区。C1、C2为电荷泵电容值, 在一个时钟周期T内,由电荷泵充入的栅电荷为: Q=VIN×C1+VIN×C2(1) 当功率管栅压稳定时,电荷泵充入的栅电荷等 于限流管放掉的栅电荷。限流管泄放电流为: IL=QT=VIN×C1+VIN×C2T(2) 由VGS(NHV)=VSG(MP6)(3) 得功率管和限流管的电流关系: 5 仿真结果与讨论 图5为负载正常情况下负载输出电压和功率管 电流的仿真波形。电源电压为5 V,C1、C2电容值为 1 pF,时钟周期为40μs,NHV和MP6宽长比的比值 为300,功率管的并联个数为1×103。采用0.6μm 30 V BCD工艺,在典型条件下,用HSPICE对整体电 路仿真。由波形可以看出,在1 ms内,负载输出电压 逐渐上升,功率管电流没有过冲,启动时间为1.7 ms。 3 ms后,功率管完全开启,为负载提供电源。 表1为限流电路工作时功率管的平均栅电压和 平均电流。图6为USB开关启动8 ms后负载短路 到恢复正常的仿真结果。USB开关在负载正常情 况下启动,8 ms后负载短路,负载电流过冲到3.1 A。当过流保护电路工作后,过流保护电路将电流 限制在0.3 A,保护了USB端口。16 ms后,负载恢 复正常,电源开关重新启动. 图6 USB开关在启动、限流和恢复正常过程中,电荷泵 输出电压、负载输出电压和功率管电流的仿真波形 Fig.6 Simulation waveforms of charge pump output volt- age,power switch output voltage and power tran- sistor current during startup, current-limit and normal operation 6结论 本文设计了一种满足USB规范的电源开关。 一种结构简单的自举电荷泵为N型功率管提供栅 驱动电压,以降低开关的导通损耗。精确的限流电 路针对过载和短路故障,对输入电源提供保护。仿 真结果表明,在负载短路瞬间,限流电路能够有效地 减小过冲电流,并能把电流限制在0.3 A,达到保护 USB端口的目的。 参考文献: [1] PARK S, JAHNS T M. A self-boost charge pump to- pology for a gate drive high-side power supply [J]. IEEE Tans Power Electronics, 2005, 20 (2): 300- 307. [2] DI CATALDO G, PALUMBO G. Double and triple charge pump for power IC: dynamic models which take parasitic effects into account [J]. IEEE Trans Circ and Syst. 1993, 40 (2): 90-100.
