开关电源参数计算(精)

(1输入电压:185V AC~240VAC

(2输出电压 1:+5VDC,额定电流 1A ,最小电流 750mA ; (3输出电压 2:+12VDC,额定电流 1A ,最小电流 100mA ; (4输出电压 3:-12VDC ,额定电流 1A ,最小电流100mA ; (5输出电压 4:+24VDC,额定电流 1.5A ,最小电流 250mA ;

(6输出电压纹波:+5V,±12V :最大 100mV (峰峰值 ; +24V:最大 250mV (峰峰值

(7输出精度:+5V,±12V :最大± 5%; +24V:最大± 10%; (8效率:大于 80% 3. 参数计算 (1输出功率:

5V 112V 1224V 1.565

out P A A A W =⨯+⨯⨯+⨯= (3-1 (2输入功率:

6581.2580%0.8

out in P W

P W =

== (3-2 (3直流输入电压: 采用单相桥式不可控整流电路

(max240VAC 1.414=340VDCin V =⨯ (3-3 (min185VAC 1.414=262VDCin V =⨯(3-4

(4最大平均电流:

(m a x

(m i n 81. 25

0. 31262inin in P W I A V V

==

= (3-5

(5最小平均电流:

(min(max

81.250.24340

in in in P W

I A V =

=

= (3-6 (6峰值电流:

可以采用下面两种方法计算,本文采用式(3-8的方法。

(minmax (min(min225581.251.550.4262out out out Pk C in in in P P P W I I A V D V V V

⨯==

====⨯ (3-7

min 5.55.581.251.71262out Pk C in P W

I I A V V

⨯==

== (3-8 (7散热:基于 MOSFET 的反激式开关电源的经验方法:损耗的 35%是由 MOSFET 产生, 60%是由整流部分产生的。开关电源的损耗为:

(180%81.25

20%16.25D in P P W W =⨯-=⨯= (3-9 MOSFET 损耗为:

35%16.2535%5.69D MOSFET D P P W W -=⨯=⨯= (3-10

整流部分损耗:

(5 55(

60%( 16.2560%0.756565D V D W W P P W W W W +=⨯⨯=⨯⨯= (3-11 (12 12122( 60%2( 16.2560%3.66565D V D W W

P P W W W W ±=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯= (3-12

(242 3636( 60%( 16.2560%5.46565D V D W W

P P W W W W

+=⨯⨯=⨯⨯= (3-13

(8变压器磁芯:

采用天通的 EER40/45, 饱和磁通密度 Bs 在 25℃时大于 500mT , 在 100℃时大于 390mT 。窗口有效截面积 Ae=152.42mm2。

所以,取

max 11

0.390.222

s B B T T ==⨯≈ (3-14 Ae=152.42mm2 (3-15 (9开关电源频率:

40f khz = (3-16

(10开关电源最大占空比:

max 0.4D = (3-17(11初级绕组电感最小值 Lpri :

in(minmax

pri pk 2620.4

1.531.7140V D V L mH I f

A KHz

⨯=

=

=⨯ (3-18

在每个开关管导通的每个周期中,存储在磁芯的能量为:

2stored pri pk 1E L I 2

=

(3-19 要验证变压器最大连续输出功率能否满足负载所需的最大功率, 可以使用下式:

2

in(corepri pk out 1P L I f P 2

=

> (3-20 (12气隙:

为了防止饱和所要加的气隙:

2

pri pkgap 2e max

0.4L I l A B

π=

(3-21

max B :单位为特斯拉 T ; gap l :单位是厘米; pri L :单位为 H ; pk I :单位为 A ;

e A :单位为 cm 2; 2

32pri pk

gap 222

e max

0.40.41.53101.710.092166152.42100.2

L I l cm A B ππ--⨯⨯⨯=

==⨯⨯ (13初级绕组匝数:

4pri pk pri e max

(LI 10N A B =

(3-22

max B :单位为特斯拉 T ; pri L :单位为 H ;

pk I :单位为 A ;

e A :单位为 cm 2;434pri pk pri 2

e max

(LI 101.53101.7110N 85.82586A B 152.42100.2

=

--⨯⨯⨯==≈⨯⨯ (14 +5VDC次级绕组匝数:

pri out(nfwd(nmax out(nin(minmax

N (VV (1

N V D D +-=

(3-23

fwd V V V =+整流二极管正向降波感正向降滤电压 (3-24

out(nN 是第 n 个次级绕组的匝数; out(nV 是第 n 个次级绕组的输出电压; fwd(nV 是第 n 个次级绕组的输出整流器的电压降;pri out(nfwd(nmax out(+5Vin(minmax N (VV (1

86(51 (10.4

N 3V 2620.4

D D +-⨯+⨯-=

=

=⨯

(15 +12VDC次级绕组匝数:

pri out(nfwd(nmax out(+12Vin(minmaxN (VV (1

86(121 (10.4

N 6.47V 2620.4

D D +-⨯+⨯-=

=

=≈⨯

(16 -12VDC 次级绕组匝数:

pri out(nfwd(nmax out(+12Vin(minmax N (VV (1

86(121 (10.4

N 6.47V 2620.4

D D +-⨯+⨯-==

=≈⨯

(17 +24VDC次级绕组匝数:

pri out(nfwd(nmax out(+24Vin(minmax N (VV (1

86(241 (10.4

N 12.313V 2620.4

D D +-⨯+⨯-==

=≈⨯

(18自馈绕组匝数:

(a UC3842

VON=16V, VOFF=10V, Dmax=100%。选择自馈绕组输出电压为 15V 。pri out(nfwd(nmax fb(+15Vin(minmax

N (VV (1

86(152 (10.4

N 8.49V 2620.4

D D +-⨯+⨯-=

=

=≈⨯

(b UC3843

VON=8.4V, VOFF=7.6V, Dmax=100%。选择自馈绕组输出电压为 10V 。pri out(nfwd(nmax fb(+10Vin(minmax

N (VV (1

86(102 (10.4

N 5.96V 2620.4

D D +-⨯+⨯-=

=

=≈⨯

(c UC3844

VON=16V, VOFF=10V, Dmax=50%。选择自馈绕组输出电压为 15V 。pri out(nfwd(nmax fb(+10Vin(minmax

N (VV (1

86(152 (10.4

N 8.39V 2620.4

D D +-⨯+⨯-=

=

=≈⨯

(d UC3845

VON=8.4V, VOFF=7.6V, Dmax=50%。选择自馈绕组输出电压为 10V 。pri out(nfwd(nmax fb(+10Vin(minmax

N (VV (1

86(102 (10.4

N 5.96V 2620.4

D D +-⨯+⨯-=

==≈⨯

(19选择绕组线径:

根据应用指南或经验法则,反激变换器电流密度(指电流有效值一般取

400cmil/A,即 5A/mm2。

对于 +5VDC,其额定电流为 1A ,所要线径取 0.55mm ,即 0.24mm 2; 对于

+12VDC,其额定电流为 1A ,所要线径取 0.55mm ; 对于 -12VDC ,其额定电流为 1A ,所要线径取 0.55mm ;

对于 +24VDC,其额定电流为 1A ,所要线径取 0.65mm ,即 0.33mm 2; (20变压器初级绕组反激电压:

变压器初级的反激电压 P V 也称为尖峰电压。

(maxmax

340566110.4

in P V V

V V D =

=

=-- (3-25 或者按照下式

OR in(max(1.5~2(1.5~2340510~680P V V V V V V ===*= (3-26

(21输入整流部分:(a 输入滤波电容 Cin

输入电压较宽时, 一般取比例系数 3uF/W, 即每瓦输出功率对应 3uF 的电容量。如果输入电压比较稳定(如蓄电池输入 ,一般取比例系数 1uF/W,即每瓦输出功率对应 1uF 的电容量。为了降低输入电压纹波, 一般把输入电容滤波电容用多个并联使用,以降低电容的 ESR 值。输入滤波电容上还要并上一个或两个陶瓷电容(约 0.1uF ,以吸收纹波电流的高频分量。

这里取 3uF/W,即

3/65195200in C uF W W uF uF =⨯=≈ (3-27

因为最大直流电压值为 340VDC ,所以输入滤波电容的耐压值按 1.5倍的裕量,取 500V 。

(b 输入整流二极管:

对于交流离线式变换器,二极管的耐压值取( 1.81.8*220400W in RMS V V V V >== (3-28

开关电源的最大输入平均电流为 (max(min

81.250.31262in in in P W

I A V V

==

=,所以二极管的电流取 0.31A 。

最小的二极管等级要符合下面的条件:

R 2(maxF d(maxFSM F

U I 1.5I I 5I ≥≥>

(c NTC 电阻:

使用 NTC 电阻的开关电源,在每次关机后不要马上开机,最好等一分钟以后再开机,只有等 NTC 电阻温度降下来后,它的阻值才能上去,再次开机才能起限流作用。

额定输入电流为:

(min(max

81.250.24340

in in in P W

I A V =

== 输入电容 Cin 的输入电流峰值一般为输入电流的 3~5倍,所以 NTC 的电阻值必须满足

max

(3~5 in t in

V R I =

(3-29

为了降低损耗, NTC 的阻值越小越好,一般取 6~12欧姆。 (22 MOSFET :

D pk DSS

p 1.71V V 500I I A

V ≥=⎧⎪⎨

≥=⎪⎩ (3-30 (23输出整流部分:(a 输出整流二极管:

在开关电源中, 可以使用以下三种类型的整流二极管:快速恢复二极管、超快恢复二极管、肖特基整流二极管。

在任何开关电源的输出电路设计中, 都应严格选择整流二极管的反向截止电压和正向电流。输出整流二极管必须满足:

RM (BRSF OM

U 2U I 3I ≥≥ (3-31

式(3-31中,输出整流二极管的最大反向峰值电压由下式确定:

S

(BRS0in(maxP

N U U V N =+

⨯ (3-32 式(3-32中, 0U 为输出电压; OM I 为额定输出电流; P N 为初级绕组匝数; S N 为次级绕组匝数。

对于 +5VDC的输出绕组, (BRS3

U 53401786V =+⨯=, RM U 34V ≥, F I 3A ≥。对于 ±12VDC 的输出绕组, (BRS7 U 123404086

V =+⨯=, RM U 80V ≥, F I 3A ≥。

对

于 +24VDC的输出绕组 ,

(BRS13

U 243407686

V =+

⨯=, RM U 150V ≥, F I 4.5A ≥。 (b 输出滤波电感:

当输出滤波电感小于临界值 Lc 时,将导致电源稳压性能变坏,甚至产生振荡从而导致电源无法正常工作。所以在设计电路时应该选择滤波电感值大于临界值的电感。滤波电感的临界值计算公式:

max min min

(1

2L C R D L f -=

(3-33式中, max L R -负载电阻的最大值; min δ-最小脉冲占空比; min f -电源的最小工作频率。

实际调试时, 如果由于设计不当而导致稳压电源在小负载电流时发生滤波电感小于临界值的现象,可以在电源输出端并联一个固定电阻(如 12R ,称为假负载的方法来减小 max L R 值从而减小 C L 值。这个固定电阻不能太小,以免影响电

源效率。

此处,取 73.3,5L uH A =。

假负载 12R 的作用主要是改善轻载时的负载调整率,此处,取 121R k =。 (c 输出滤波电容:

(max(max

(minout off out ripple

I T C V =

(3-34

(24电流采样电阻:

max 1s s

V

I R =

(3-35 所以, (max

110.581.71s s V V

R I A=

=

=Ω 电流采样电路的 RC 滤波参数:R=1K, C=470p,其时间常数为 470ns 。 (25振荡电阻和振荡电容:

1.8

T T

f R C ≈

(3-36 T R =

(26启动电阻和启动电容:

(a UC3842

启动电压取 20V ,启动电流取 2mA 。

1R 121K =Ω 12

2(maxR 1

(15V (340V15V P 0.8121K in V W R --===Ω

98.3R k =Ω 211.67R k =Ω (b UC3843

启动电压取 10V ,启动电流取 2mA 。

1R 125K =Ω 12

2(maxR 1

(10V (340V10V P 0.8125K in V W R --===Ω93.75R k =Ω

211.25R k =Ω (c UC3844

启动电压取 20V ,启动电流取 2mA 。

1R 121K =Ω 12

2(maxR 1

(15V (340V15V P 0.8121K in V W R --===Ω

98.3R k =Ω 211.67R k =Ω (d UC3845

启动电压取 10V ,启动电流取 2mA 。

1R 125K =Ω 12

2(maxR 1

(10V (340V10V P 0.8125K in V W R --===Ω

93.75R k =Ω 211.25R k =Ω

启动完成后, UC3842的消耗电流将随着对高压 MOSFET 的驱动而增之

100mA , 该电流由启动电容 C24在启动时储存的电荷量来提供。这时, C24上的电压会发生跌落,当 C24上的电压跌落到 10V 以下时, UC3842仍然保持工作。自馈绕组实现自馈电的时间 Ton 根据开关周期决定,一般 20KHZ 以上都在 5ms 以内,于是C24的容量为:

ON 24100mA T 100mA 5ms

83.3uF 16V 10V 16V 10V

c c i t C u ∆⨯⨯====∆-- 取标称电容值 24100uF C =。

如果需要更大的 MOSFET 驱动电流, 启动电容可以大一些, 启动电容越大, 则启动时间越长,可以起到软启动的作用。

4. 元器件列表

5. aa

6. aa

7. aa

8. aa

9. aaUC1842:16V ,10V,100% UC1843:8.4V,7.6V ,100% UC1844:16V ,10V,50% UC1845:8.4V,7.6V ,50%