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        輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!

        發布時間:2019-11-28 責任編輯:lina

        【導讀】將電源模塊等效為一個電阻負載的話,相當于在T3時間內電容對恒定功率負載進行放電,電容電壓降低(Vpk-Vmin)V。
          
        技術要求:輸入電壓Vin:90-253Vac
        輸出電壓Vo:27.6V
        輸出電流Io:6A
        輸出功率Po:166W
        效率η:0.85
        輸入功率Pin:195W
         
        一、輸入濾波電容計算過程:
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        上圖為整流后濾波電容上電壓波形,在最低輸入電壓下,如果我們想在濾波電容上得到的電壓Vdc為115V,則從上圖可以得到:  
         
        Vpk=90*1.414=127V
        Vmin=Vdc-(Vpk-Vdc)=103V
         
        將電源模塊等效為一個電阻負載的話,相當于在T3時間內電容對恒定功率負載進行放電,電容電壓降低(Vpk-Vmin)V。
         
        Idc*T3=C*△V
         
        其中:      
         
        △V=Vpk-Vmin=127-103=24V
         
        關鍵部分在T3的計算,T3=t1+t2,t1為半個波頭,時間比較好算,對于50Hz的交流來說,t1=5mS,然后就是計算t2,其實t2也很好計算,我們知道交流輸入電壓的公式為
         
        Vx=Vpksinθx,根據已知條件,Vx=103V,Vpk=127V,可以得到θx=54度,所以t2=54*10ms/180=3mS, T3=t1+t2=8mS。
         
        C=1.7*8/24=0.57mF=570uF
         
        二、變壓器的設計過程
         
        變壓器的設計分別按照DCM、CCM、QR兩種方式進行計算,其實QR也是DCM的一種,不同的地方在于QR的工作頻率是隨著輸入電壓輸出功率的變化而變化的。
         
        對于變壓器磁芯的選擇,比較常用的方法就是AP法,但經過多次具體設計及根據公司常用型號結合,一般可以直接選擇磁芯,象這個功率等級的反激,選擇PQ3535的磁芯即可。磁芯的參數如下:AE=190mm2,AL=4300nH,Bmax≥0.32T
         
        1)DCM變壓器設計過程:
         
        開關頻率選擇80K,最大占空比選擇0.48,全范圍DCM,則在最低輸入電壓Vdc下,占空比最大,電路工作在BCM狀態,根據伏秒平衡,可以得到以下公式,
         
        Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),
        從而計算反射電壓為Vor=95V
        匝比
         
        n=Vor/(Vo+Vf)=3.32   Vf為整流二極管壓降
        計算初級匝數
         
        輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        計算副邊匝數
        Ns=Np/n=6.32,選擇7匝,
        則原邊匝數調整為
        Np=3.32*7=23匝
        計算輔助繞組匝數,輸出電壓變化范圍按照20-27.6V設計,要求在20V輸出下輔助繞組能正常供電,所以,輔助繞組選擇4匝。
         
        初級電感量
        Po=0.5L*I*I*F/η  I=Vinmin*Dmax/(L*F)
         
        輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        將各個參數代入,得到L值     L=78uH
        初級電流峰值:
         
        輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        初級電流有效值:
         
        輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        次級電流有效值:
         
        輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        根據電流有效值,可以選擇變壓器線徑,根據匝數繞電感后,調整氣息使電感量滿足要求,即可得到合適的變壓器。
         
        以下黃色字體部分,是根據batteryli提到,對于DCM,變壓器的△B值可以適當選的大一些,從而降低匝數減小漏感,可以減小尖峰。因此按照△B=0.2設計的變壓器。
         
        開關頻率選擇80K,最大占空比選擇0.48,全范圍DCM,則在最低輸入電壓Vdc下,占空比最大,電路工作在BCM狀態,根據伏秒平衡,可以得到以下公式,
         
        Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),
         
        從而計算反射電壓為Vor=95V
         
        匝比
        n=Vor/(Vo+Vf)=3.32   Vf為整流二極管壓降
         
        計算初級匝數
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        計算副邊匝數        Ns=Np/n=4.8,選擇5匝,
        則原邊匝數調整為      Np=3.32*5=17匝
        計算輔助繞組匝數,輸出電壓變化范圍按照20-27.6V設計,要求在20V輸出下輔助繞組能正常供電,所以,輔助繞組選擇3匝。
        初級電感量 Po=0.5L*I*I*F/η  I=Vinmin*Dmax/(L*F)
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        將各個參數代入,得到L值 L=78uH
        初級電流峰值:
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        初級電流有效值:
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        次級電流有效值:
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        根據電流有效值,可以選擇變壓器線徑,根據匝數繞電感后,調整氣息使電感量滿足要求,即可得到合適的變壓器。
         
        2)CCM變壓器設計過程:
         
        CCM變壓器的設計,必須首先確定一個負載點,在該狀態下,變壓器工作在BCM狀態下,如果負載繼續增加則進入CCM,如果負載減小,則進入DCM,一般情況下,我會選擇最低輸入電壓下額定負載的70%為BCM狀態。
         
        70%負載情況下,輸出功率為P0.7=27.6*6*0.7=116W,因此峰值電流為
             
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        從這個時刻,如果繼續增加負載電流,變壓器進入CCM狀態,占空比不變,所以,峰峰值電流也就是這個值,因此ΔI=4.94A
         
        滿載情況下,輸入平均電流
         
        輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        設峰值電流為IPK則
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        根據△I占Ipk的比例,確定△Bmax,△Bmax/Bmax=△I/Ipk得到△Bmax=4.94*0.32/6=0.26T,選擇△B為0.18T,計算變壓器原邊匝數     
          
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        根據伏秒平衡,可以得到以下公式,
        Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),
        從而計算反射電壓為Vor=95V
        匝比 n=Vor/(Vo+Vf)=3.32   Vf為整流二極管壓降
        副邊匝數    Ns=18/3.32=5.4,選擇6匝,
        原邊匝數調整為  Np=3.32*6=20
        計算輔助繞組匝數,輸出電壓變化范圍按照20-27.6V設計,要求在20V輸出下輔助繞組能正常供電,所以,輔助繞組選擇4匝。
         
        根據△I=Vdc*Dmax/Lp*F,可以得到變壓器原邊電感值
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        3)QR模式變壓器的設計過程
         
        最低輸入電壓103V,最大占空比Dmax選擇0.48,在最低輸入電壓情況下,變壓器工作在臨界模式(QR模式實際只是近似與臨界模式不是在臨界模式,只是為了方便計算,用臨界模式來近似計算),則根據伏秒平衡
         
        Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),
        Vor= Vdc*Dmax/(1-Dmax)
        =103*0.48/(1-0.48)
        =95V
         
        匝比      n=Vor/(Vo+Vf)=95/(27.6+1)=3.32
         
        采用0B2203,如果全范圍內都工作在QR狀態下,則在同一負載條件下,工作頻率只跟隨輸入電壓變化,頻率變化比如下:
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        將Vo=27.6V、Vf=1V、VdcL=115V、n=3.32、VdcH=360V代入,可以得到FsH=2.25FsL,如果將低壓滿載工作頻率設置在50k,則高壓滿載工作頻率則工作在2.25*50=112.5 k。
         
        變壓器工作在QR模式時,MOS管開通時,變壓器原邊儲存能量,在MOS關關閉時刻完全傳遞到副邊,每個周期變壓器原邊儲存的能量為
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        變壓器傳遞到副邊的總能量等于每個周期傳遞的能量與頻率的乘積,所以  
            
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        原邊峰值電流可以通過下式得到 
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        將   Po=166W、η=0.85、Vdc=115V、Dmax=0.48、F=50K帶入上式可以得到變壓器原邊電感  L=156uH
         
        在最低輸入電壓情況下,初級峰值電流最大,初級電流峰值最大值
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        初級電流波形為三角波,所以有效值為
         
        輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
        次級電流有效值 
         
        輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
        則初級繞組匝數匝
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        次級繞組匝數Ns=26/3.32=8匝,選擇8匝,則原邊調整為27匝
        由于負載為兩串鉛酸蓄電池,最低充電電壓按照20V計算,輔助繞組選擇4匝。
         
        MOS管的選擇
         
        初級峰值電流6.34A,按照1.5倍余量選擇,MOS管電流選擇6.34*1.5=9.5A
        輸入電壓最高值360V,反射電壓95V,考慮尖峰電壓100V,MOS管耐壓按照0.85的余量選擇,則MOS管耐壓應不低于
         
         輸入電容及DCM、CCM、QR變壓器計算?。?!
         
        庫存MOS管中,滿足電壓電流條件的型號為FQA13N80,所以選擇該型號
        MOS管。
         
        輸出二極管的選擇
         
        變壓器變比27:8,當輸入電壓最高時,折算到副邊的電壓為
         
        360*8/27=107V
         
        因此二極管承受的反向電壓為107+27.6=135V,考慮尖峰電壓50V,二極管耐壓按照0.85的容量選擇,則
         
        V=(135+50)/0.85=218V
        副邊峰值電流為6.34*27/8=21A
         
        庫存最接近的二極管是STTH3003,耐壓300V,兩個15A二極管并聯。
         
         
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