原创 反激式开关电源设计的思考2

 一、任何时刻开关管上所承受的电压都要低于它所能够承受
   的最大电压，并且要有足够的安全裕量；
    以此为出发点，就确定了变压器的变化；
    Ucemax = Uinmax + N·Uo + Upk + Uy
     式中：Ucemax－开关管所能承受的最大电压
       N－变比初级匝数Np / 次级匝数Ns
       Uin－直流输入电压最大值
       Uo－输出电压
       Upk－漏感所产生的电压
       Uy－电压裕量

   此式很重要一点，就是确定了变比N，变比一确定一系列
   问题就确定下来；比如：
       反射电压：VoR  ＝ N·Vo;
       占空比：       D  =   VoR /( Vin +VoR);
       导通时间：  Ton =   D·T
   变比一定要选择合适，以使电路达到优化；若使用双极型
   晶体管对其基电极的控制很重要，因为它影响着Vcemax的
   大小：Vces>Vcer>Vceo;在ce间承受最高电压时最好保证
   be结短接或者反偏,此时晶体管就可承受较高的反偏电压.
 二、任何时刻都应保证磁芯不饱和；
   由于反激式开关变压器的特殊性，磁芯饱和问题在反激式
   变换器的设计中尤为重要。一旦磁芯饱和，开关管瞬间就
   会损坏。为防止磁芯饱和反激式开关变压器磁芯一般都留
   气隙，显著扩大磁场强度的范围，但仅靠气隙并不能完全
   解决磁芯饱和的问题，由磁感应定律很容易得出：
 
      由（1）式知：
   磁感应强度与输入电压和导通时间有关。在输入  电压一
   定时，由反馈电路保证Ton的合适值。
   在工作过程中，根据磁饱和的形式分两种情况：
   一种是：一次性饱和：
   当反馈环路突然失控时，在一个周期内导通一直  持续，
   直到过大的Ip使磁芯饱和而使开关管立即  损坏；
   另一种是：逐次积累式饱和：
   磁芯每个周期都有置位与复位动作，反激式开关  电源磁
   芯置位是由初级绕组来实现，磁芯复位是由  次级绕组和
   输出电路来实现。当电路等设计不当时，  每次磁芯不能
   完全复位，一次次的积累，在若干周期内磁芯饱和。就像
   吹气不一样，一口气吹破就相当磁芯一次性饱和；每吹一
   次，就排气，但每次排气量都比进气量少一点，这样循环
   几次后，气球就会被撑破的；若每次充排气量相同，气球
   就不会破的，磁芯也是如此，如下图：

    
   磁芯从a→b→c为置位，从c→d→a为复位，每个周期都要
   回到a，磁芯就不会饱和。对于反激式开关电源的断续模
   式，磁芯复位一般是不成问题的。
 三、始终保持变换器工作于一个模式如CCM或DCM；不要在两
   个模式之间转换，这两种模式不同，对反馈回路的调节
   电路要求也不同，在考虑某一种模式而设计的调节电路，   
   如运行到另一模式时易引起不稳定或者性能下降。
 四、保证最小导通时间不接近双极性开关管的存储时间；（
     MOSFET管例外）
   在设计反激式开关电源时，特别在开关电源   频率较高
   、直流输入电压最高，负载又较轻  时，开关导通时间
   Ton最小，若这个时间接近或小于双极性晶体管的存储时     
   间（0.5μs~1.0μs）时，极易造成开关管失控，而使磁
   芯饱和。此时就要重新审视开关频率的选择，或能否工作
   于如此高电压或者通过调节占空比来适应。或者选用其
    他电路拓扑。
 五、不要将变换器的重要元件的参数选得接近分布参数；具
  体来说，电阻不要太大，电容器和电感器不要太小。
（1）许多反激式开关电源都有一个振荡频率，由IC芯片提供
     ，如UC3842，由RC决定，当把R选择太大，C太小时，就   
     易使稳定性特别差；如电容C小得接近分布参数，也就是
    说 取掉该电容由线路板及其它元件间的分布参数而形成
    的容值都和所选的电容容值差不多；或者所选电阻太大以
    至于线路板上的漏电流所等效的阻值都和所选的电阻大小
    差不多；这将 造成工作不稳定，如温度或湿度变化时其
    分布参数也跟着变  化，严重影响振荡的稳定性。R一般
    不要大于1M欧，C一般不  要小于22PF。
（2）反激式开关电源的输出功率如下式：（DCM）
 
   注意:由于笔误,应为:U2=U*U,D2=D*D
   由（2）式可知：
    在电流断续模式时，当电压和频率固定的情况下，输出功
    率和变压器的初级电感成反比。即要增加功率就要减小初
    级绕组的电感量。反激式开关变压器的特殊性：当开关管
    导通时变压器相当于仅有初级绕组的一个带磁芯的电感器
    ，当这个电感器小到一定值时就不可太小了，当小至和分
    布电感值差不多时，这样变压器的参数就没有一致性，工
    作稳定性差，可能分布参数的变化都会使整个电感值变化
    一少半，电路的可靠性就无从谈起。初级电感值至少应是
    分布电感的10倍以上。
（3）同样道理，磁芯的气隙也不可选的太少，太小的话，磁
    芯稍微的变动（如热胀冷缩）对气隙来说都显得占的比例
   很大，这样的变压器就无一致性可言，更无法批量生产。
 六、反激式变换器的输出滤波电容比起其它拓扑形式的电路
     所受的冲击更大,它的选择好坏对整个电源的性能及寿命
     有举足轻重的作用。选择时，一般是按纹波电压要求初
     选电容值，用电容的额定纹波电流确定电容值，这样比
     较安全稳妥。当然，耐压值和温度等级也要足够。
 七、降低损耗，遏制温升，提高效率，延长寿命
     开关电源内部的损耗主要分四个方面：
（1）开关损耗  如：功率开关，驱动；
（2）导通损耗  如：输出整流器，电解电容中电阻损耗；
（3）附加损耗  如：控制IC，反馈电路，启动电路，驱动电
     路；
（4）电阻损耗  如：预加负载等；
     在反激式开关电源中，功率开关和驱动以及输出整流部
     分占损耗的90％多，磁性元件占5％，其它占5％； 损耗
     直接影响效率，更影响电源的稳定性和工作寿命。损耗
     都以发热而表现出来，晶体管和电容和磁性元件都对温
     度很敏感；下面看一下温度的影响：
（1）温度每升高10℃，电解电容的寿命就会减半
（2）在高温和反向电压接近额定值时，肖特基二极管的漏电
     很严重，就像阴阳极通路一样；
（3）通用磁性材料，从25℃到100℃饱和磁感应强度下降30％
    左右；在这里，磁性材料的损耗虽然说占比例很小但是它
    对整个开关电源的影响非常大。比如在正常工作时，设计
    的最大磁通密度偏大，由于温升的原因将使饱和磁感应强
    度下降，再加上反馈回路的延迟效应而使导通时间加长，
    极易使磁芯饱和，瞬间开关管损坏。在此设计时，最好保
    证铜耗接近于磁耗，初级绕组的铜耗接近于次级绕组的铜
    耗以达到最优化的设计防止磁芯过渡温升。
（4）MOSFET管，每升高25℃，栅极阀值电压下降5％；MOSFET
    管的最大节点温度时150℃，节点温度的理想值为105℃，
    最高不要超过125℃；MOSFET管,Rds随温度的升高而增大.
（5）双极型晶体管，随温度的升高，Vce而减小，在环境温度
    较高或接近最高结温时，晶体管的实际最高耐压会有所下
    降，并且漏电流会更进一步增加，很易造成热损耗。所以
    ，在设计时，尽可能降低元件本身损耗而造成的温升，也
    要注意远离热源，不因外界原因而造成温升。更要优化设
    计减小损耗，提高效率，延长元器件及整个电源的工作寿
    命。
 
反激式开关电源设计的思考五
                               －常用公式的理解
在反激式开关电源设计之前，我们必须对要用到的公式有所了解，这样不
至于造成不管公式适用条件如何，拿来就用，以致看似合理实则差之远矣。