精通开关电源设计方案笔记.docx

1、精通开关电源设计方案笔记精通开关电源设计笔记三种基础拓扑（buck boost buck-boost）的电路基础：1，电感的电压公式，推出IVT/L2，sw闭合时，电感通电电压VON，闭合时间tONsw关断时，电感电压VOFF，关断时间tOFF3，功率变换器稳定工作的条件：IONIOFF即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。那么由1，2的公式可知，VONLION/tON ，VOFF LIOFF/tOFF，则稳定条件为伏秒定律：VONtONVOFFtOFF4，周期T，频率f，T1/f，占空比DtON/TtON/（tONtOFF）tOND/f TDtOFF（1D）/f电流纹波率r P51 52

2、rI/IL2IAC/IDC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值IEt/LH EtVT（时间为微秒）为伏微秒数，LH为微亨电感，单位便于计算rEt/（ ILLH）ILLHEt/rLHEt/（r*IL）都是由电感的电压公式推导出来r选值一般0.4比较合适，具体见 P53电流纹波率rI/IL2IAC/IDC 在临界导通模式下，IACIDC，此时r2 见P51rI/ ILVOND/Lf ILVO（1D）/Lf ILLVOND/rf IL电感量公式：LVO（1D）/rf ILVOND/rf IL设置r应注意几个方面：A,IPK（1r/2）IL开关管的最小电流，此时r的值小于0.4，造成电感体积很大。B

3、,保证负载电流下降时，工作在连续导通方式P24-26，最大负载电流时rI/ ILMAX,当r2时进入临界导通模式，此时rI/ Ix2负载电流Ix（r/2）ILMAX时，进入临界导通模式,例如：最大负载电流3A，r0.4，则负载电流为（0.4/2）30.6A时，进入临界导通模式避免进入临界导通模式的方法有1，减小负载电流2，减小电感（会减小I，则减小r）3，增加输入电压 P63电感的能量处理能力1/2LI2电感的能量处理能力用峰值电流计算1/2LI2PK，避免磁饱和。确定几个值:r要考虑最小负载时的r值负载电流ILIPK输入电压范围VIN输出电压VO最终确认L的值基本磁学原理：P71以后花时间慢

4、慢看电磁场与电磁波用于EMC和变压器H场：也称磁场强度，场强，磁化力，叠加场等。单位A/mB场：磁通密度或磁感应。单位是特斯拉（T）或韦伯每平方MWb/m2恒定电流I的导线，每一线元dl在点p所产生的磁通密度为dBkIdlaR/R2dB为磁通密度，dl为电流方向的导线线元，aR为由dl指向点p的单位矢量，距离矢量为R，R为从电流元dl到点p的距离，k为比例常数。在SI单位制中k0/4，0=410-7H/m为真空的磁导率。则代入k后，dB0IdlR/4R3 对其积分可得B磁通量：通过一个表面上B的总量 ，如果B是常数，则BA，A是表面积HB/BH，是材料的磁导率。空气磁导率0=410-7H/m法

5、拉第定律（楞次定律）：电感电压V与线圈匝数N成正比与磁通量变化率VNd/dtNAdB/dt线圈的电感量：通过线圈的磁通量相对于通过它的电流的比值L=H*N/I磁通量与匝数N成正比，所以电感量L与匝数N的平方成正比。这个比例常数叫电感常数，用AL表示，它的单位是nH/匝数2（有时也用nH/1000匝数2）L=AL*N2*10-9H所以增加线圈匝数会急剧增加电感量若H是一闭合回路，可得该闭合回路包围的电流总量HdlIA，安培环路定律结合楞次定律和电感等式可得到VNd/dtNAdB/dtLdI/dt可得功率变换器2个关键方程：BLI/NA非独立电压方程 BLI/NABVt/NA独立电压方程 BACB

6、/2VOND/2NAf 见P72-73N表示线圈匝数，A表示磁心实际几何面积（通常指中心柱或磁心资料给出的有效面积Ae）BPKLIPK/NA不能超过磁心的饱和磁通密度由公式知道，大的电感量，需要大的体积，否则只增加匝数不增加体积会让磁心饱和磁场纹波率对应电流纹波率rr2IAC/IDC2BAC/BDCBPK（1r/2）BDCBDC2BPK /（r2）BPK（12/r）BACBACr BPK /（r2）B2 BAC2r BPK /（r2）磁心损耗，决定于磁通密度摆幅B，开关频率和温度磁心损耗单位体积损耗体积，具体见P75-76Buck电路5，电容的输入输出平均电流为0，在整个周期内电感平均电流负载

7、平均电流，所以有：ILIo6，二极管只在sw关断时流过电流，所以IDIL（1D）7，则平均开关电流IswILD8，由基尔霍夫电压定律知：Sw导通时：VIN VONVOVSWVONVINVOVSWVINVO假设VSW相比足够小VOVINVONVSWVINVONSw关断时：VOFF VOVDVOVOFFVDVOFF假设VD相比足够小9，由3、4可得DtON/（tONtOFF）VOFF/（VOFF VON）由8可得：DVO/（VINVO）VODVO/VIN10，直流电流IDC电感平均电流IL，即IDCILIo见511，纹波电流IACI/2VIN（1D）D/2LfVO（1D）/2Lf由1，3、4、9得

8、，IVONtON/L（VINVO）D/Lf（VINDVIN）D/LfVIN（1D）D/LfI/ tONVON/L（VINVO）/LIVOFFtOFF/L VOT（1D）/LVO（1D）/LfI/ tOFFVOFF/LVO/L12，电流纹波率rI/IL2IAC/IDC 在临界导通模式下，IACIDC，此时r2 见P51rI/ ILVOND/Lf IL(VINVO)D/Lf ILVO（1D）/Lf ILVO（1D）/Lf IL13，峰峰电流IPPI2IACrIDCrIL14，峰值电流IPKIDCIAC（1r/2）IDC（1r/2）IL（1r/2）IO最恶劣输入电压的确定：VO、Io不变，VIN对I

9、PK的影响：DVO/ VIN VIN增加DI, IDCIO,不变，所以IPK要在VIN最大输入电压时设计buck电路 p49-51例题：变压器的电压输入范围是15-20v，输出电压为5v，最大输出电流是5A。如果开关频率是200KHZ，那么电感的推荐值是多大？解：也可以用伏微秒数快速求解，见P69（1）buck电路在VINMAX=20V时设计电感（2）由9得到DVO/ VIN5/200.25（3）L=VO（1D）/ rf IL5*(1-0.25)/(0.4*200*103*5)=9.375H（4）IPK（1r/2）IO（1+0.4/2）*56A（5）需要9.375H 6A附近的电感例题：buc

10、k变换器，电压输入范围是18-24v，输出电压为12v，最大负载电流是1A。期望电流纹波率为0.3（最大负载电流处），假设VSW1.5V，VD0.5V，并且f150KHz。那么选择一个产品电感并验证这些应用。解：buck电路在最大输入电压VIN24V时设计15，二极管只在sw关断时流过电流负载电流，所以IDIL（1D）IO16，则平均开关电流IswILD17，由基尔霍夫电压定律知：Sw导通时：VIN VONVSWVONVINVSWVONVIN假设VSW相比足够小Sw关断时：VOFFVINVOVDVOVOFFVINVDVOVOFFVIN假设VD相比足够小VOFFVOVDVINVOFFVOVIN1

11、8，由3、4可得DtON/（tONtOFF）VOFF/（VOFF VON）由17可得：D（VOVIN）/（VOVIN）VIN（VOVIN）/VOVINVO（1D）19，直流电流IDC电感平均电流IL，即IDCIO/（1D）20，纹波电流IACI/2VIND/2LfVO（1D）D/2Lf由1，3、4、17，18得，IVONtON/LVINTD/LVIND/LfI/ tONVON/LVIN/LIVOFFtOFF/L （VOVIN）T（1D）/LVO（1D）D/LfI/ tOFFVOFF/L（VOVIN）/L21，电流纹波率rI/IL2IAC/IDC 在临界导通模式下，IACIDC，此时r2 见P5

12、1rI/ ILVOND/Lf ILVO（1D）/Lf ILLVOND/rf ILrVOND/Lf ILVIND/Lf IL=VO（1D）/Lf IL(VOVIN)（1D）/Lf IL电感量公式：LVO（1D）/rf ILVOND/rf ILr的最佳值为0.4，见P5222，峰峰电流IPPI2IACrIDCrIL23，峰值电流IPKIDCIAC（1r/2）IDC（1r/2）IL（1r/2）IO/（1D）最恶劣输入电压的确定：要在VIN最小输入电压时设计boost电路 p49-51例题：输入电压范围12-15V，输出电压24V，最大负载电流2A，开关管频率分别为100KHz、200KHz、1MHz

13、，那么每种情况下最合适的电感量分别是多少？峰值电流分别是多大？能量处理要求是什么？解：只考虑最低输入电压时，即VIN12V时，D（VOVIN）/VO（24-12）/240.5ILIO/（1D）2/（1-0.5）4A若r0.4，则IPK（1r/2）IL（1+0.5/2）44.8A电感量LVOND/rILf12*0.5/0.4*4*100*100037.5H37.5*106Hf200KHz L18.75H，f1MHz L3.75H24，二极管只在sw关断时流过电流负载电流，所以IDIL（1D）IO25，则平均开关电流IswILD26，由基尔霍夫电压定律知：Sw导通时：VIN VONVSWVONVI

14、NVSWVIN假设VSW相比足够小Sw关断时：VOFF VOVDVOVOFFVDVOFF 假设VD相比足够小VOFFVO27，由3、4可得DtON/（tONtOFF）VOFF/（VOFF VON）由26可得：DVO/（VOVIN）VINVO（1D）/D28，直流电流IDC电感平均电流IL，即IDCILIO /（1D）29，纹波电流IACI/2VIND/2LfVO（1D）/2Lf由1，3、4、26，27得，IVONtON/LVINTD/L VIND/LfI/ tONVON/L=VIN/LIVOFFtOFF/LVOT（1D）/LVO（1D）/LfI/ tOFFVOFF/LVO/L30，电流纹波率r

15、I/IL2IAC/IDC 在临界导通模式下，IACIDC，此时r2 见P51rI/ ILVOND/Lf ILVO（1D）/Lf ILLVOND/rf ILrVOND/Lf ILVIND/Lf ILrVO（1D）/Lf IL= VO（1D）/Lf IL31，峰峰电流IPPI2IACrIDCrIL32，峰值电流IPKIDCIAC（1r/2）IDC（1r/2）IL（1r/2）IO /（1D）最恶劣输入电压的确定：要在VIN最小输入电压时设计buck-boost电路 p49-51第3章 离线式变换器设计与磁学技术在正激和反激变换器中，变压器的作用：1、电网隔离2、变压器“匝比”决定恒比降压转换功能。绕

16、组同名端，当一个绕组的标点端电压升至某一较高值时，另一个绕组标点端电压也会升至较高值。同样，所有标点端电压也可以同一时间变低。因为它们绕组不相连，但在同一个磁心上，磁通量的变化相同。P89漏感：可看作与变压器一次电感串联的寄生电感。开关关断的时刻，流过这两个电感的电流为IPKP，也即为一次电流峰值。然而，当开关关断时，一次电感所存储的能量可沿续流通路（通过输出二极管）传递，但是漏感能量却无传递通路，所以就以高压尖峰形式表现出来。一般把尖峰简单的消耗掉反激变换器P93一次等效模型二次等效模型VinVINVINR= VIN /ni_inIINIINR=IIN*nCinCINn2* CINlLpLs

17、=Lp/ n2VswVswVsw/nVoVOR=VO*nVOi_outIOR=IO/nIO中心值IOR/(1-D)= IO /n*(1-D)IO/(1-D)CoCo/ n2CoVdVD *nVD占空比DD纹波率rr反激在轻负载时进入DCM，在重载时进入CCM模式例子：P9674w的常用输入90VAC270VAC反激变换器，欲设计输出为5A/10A和12V/2A。设计合适的反激变压器，假定开关频率为150KHz，同时，尽量使用较经济的额定值为600V的MOSFET。解：反激可简化为buckboost拓扑1，确定VOR和VZ最大输入电压时，加在变化器上的整流直流电压是VINMAX*VACMAX=2

18、70=382VMosfet的额定电压600v，裕量取30v，漏极的尖峰电压为VINVZ382+VZ570VZ188V，需选取标准的180v稳压管VZ /VOR1.4时，稳压管消耗明显下降，则VORVZ /1.4128V匝比假设5V输出二极管正向压降为0.6V，则匝比为：nVOR/（VOVD）128/（5+0.6）22.86最大占空比（理论值）VINMIN*VACMAX=90=127VD=VOR /(VOR +VINMIN)=128/(128+127)=0.5这时为100效率一次与二次有效负载电流若输出功率集中在5V，其负载电流为IO74/515A一次输入负载电流为IORIO /n15/22.8

19、60.656A占空比输入功率PINPo/效率74/0.7105.7W平均输入电流IINPIN/VIN105.7/1270.832AIIN/DILR因为输入电流只在开关导通时才有IOR/（1D）ILR因为输出电流只在开关断开时才有IIN/DIOR/（1D）DIIN /（IINIOR）0.832/（0.832+0.656）0.559一次和二次电流斜坡实际中心值二次电流斜坡中心值为（集中功率时）ILIO/（1D）15/（10.559）34.01A一次电流斜坡中心值ILRIL/n34.01/22.861.488A峰值开关电流取r0.5则IPK（1r/2）ILR1.251.4881.86A伏秒数输入电压

20、为VINMIN时，VONVIN127V导通时间tOND/f0.559/150*1033.727s所以伏秒数为EtVONtON1273.727473Vs一次电感LHEt/（r*ILR）473/（0.5*1.488）636H离线式变压器，需降低高频铜耗、减小变压器体积等各种原因，r通常取0.5磁心选择P99，为经验公式，待实践磁心面积Ae1.11CM2匝数如前面的电压相关方程BLI/NA，则NLI/BA，此时的B应该为BLI伏秒数Et，B2 BAC2r BPK /（r2）铁氧体磁心BPK0.3T则有一次绕组匝数（和书上的计算公式不一样，需要公式变换）npLI/（B*Ae）Et/2r BPK /（r

21、2）*A(1+2/r)*Et/(2BPK*Ae)473*10-6(1+2/0.5)/(2*0.3*1.11*10-4)35.5匝则5V输出的匝数是nsnp/n35.5/22.861.55匝2匝 取整数反过来计算npns*n2*22.8645.7246匝12V绕组的匝数是（121）/（50.6）*2=4.645匝，二极管压降分别取1V和0.6V实际的磁通密度变化范围BLI/NAEt/ NA0.0926TBPKB（r2）/2r0.2315T磁隙磁芯间距导线规格和铜皮厚度选择是个问题，后续看反激电源设计实例：34006820的待机部分，变压器1100387720w待机电源5V/4A，超薄电源用，要求

22、变压器体积小，待机电流小于30mA，开关频率67KHz，电压输入范围85-264VAC，650V的芯片内置MOSFET1，假设 效率0.75Po20WPinPo/20/0.7526.667W2，DC电压输入范围：最小输入电压VDCMIN*85120.19V，如下图，电容充电的问题，电压有1015的变化，所以VDCMIN120.19*0.9108.2VVDCMAX*264373.3V3，确定最大占空比DMAX在CCM下，一般D小于0.5，避免谐波振荡。取典型值DMAX0.43反射电压VRODMAX/（1DMAX）VDCMIN0.43/（1-0.43）*120.1990.67V公式原理是初级次级绕

23、在同一个磁心上，其磁通总量相等P90变压器的磁心面积一样，不同的就是匝数初级的pBp*AeBs*Aes次级的磁通总量BpVt/NAVINtON/NpAeVDCMIN*DMAX /fNpAe 在开关导通时间BsVo*tOFF/ NsAe（Vo+VF）*（1DMAX）/fNsAe 在开关断开时间推出VDCMIN*DMAX /Np（Vo+VF）*（1DMAX）/Ns匝比nNp /Ns =VDCMIN*DMAX /（Vo+VF）*（1DMAX）15.4实际为14VROn（Vo+VF）=VDCMIN*DMAX /（1DMAX）108.2*0.43/0.5781.625V4，变压器的初级电感Lp反激有CC

24、M和DCM两种工作模式，随负载和输入电压的变化而变化，超薄电源为将变压器最小化，将初级电感取小，在最小输入电压时，将电路工作在临界导通模式，则正常工作时都是在DCM模式。此时电流的纹波率r2LVONtON/IVIND/f rILVIND/f r(PIN/ DVIN)(VINMINDMAX)2/f rPIN（108.2*0.43）2/（26.667*2*67*103）605.8H实际600H5，确定磁芯和初级线圈的最小匝数选择磁心有有几种不同的公式，有算磁心体积的，有算磁心截面积和开窗面积乘积的。总之，要适应本电源的实际应用，就要选择扁平的磁心。精通开关电源设计提供的公式磁心体积Ve0.7*（2

25、+r）2/r * PIN/f f单位为KHz p99Ve2229mm3实际选择变压器，要求是扁平的形状，压低高度，利于超薄电源设计。Np（1+2/r）*VON*D/（2*BPK*Ae*f）（1+2/r）*VINMIN*Dmax/（2*BPK*Ae*f） P100 P72（1+2/2）*120.19*0.43/（2*0.3*141*10-6*67*103）16.4 如取B0.2，则Np24.6匝规格书没有磁心的Ae，实际测量的为Ae141mm2，供应商提供的实际变压器为28匝6确定输出匝数匝比nNp/NsVRO/（VoVF）90.67/（5.1+0.6）15.91实际为14则5V输出的匝数为Ns

26、24.6/15.911.55 则为2匝，1匝漏感大，实际是2匝则Np2*15.9131.8232匝，实际28匝VCC匝数为n（VCCVF）/（VoVF）（16+0.6）/（5.1+0.6）2.91NVCC2*2.915.826匝，实际为7匝磁心气隙计算，也有不同的计算方式第5章 导通损耗和开关损耗开关损耗与开关频率成正比Vgs电压增大，到超过MOSFET提供的最大负载电流值后，则是“过驱动”，有助于减小导通电阻。MOSFET导通关断的损耗过程P1451、导通过程中，开关两端电压，直到电流转换完成才开始变化。即VI有交迭2、关断过程中，直到开关两端电压转换完成，其电流转换才开始导通损耗，mosf

27、et的导通损耗与占空比有关，与频率无关寄生电容有效输入电容Ciss，输出电容Coss，反向传输电容Crss，他们与极间电容的关系如下：CissCgsCgdCossCdsCgdCrssCgd则有下式（Ciss，Coss，Crss在产品资料中有）CgdCrssCgsCissCrssCdsCossCrss门极开启电压Vt，mosfet的栅极有开启电压，只有栅极电压超过开启电压，才能使mosfet完全导通，即把流过mosfet的电流超过1mA时的状态定义为导通状态。所以传导方程要改gId/VgsgId/（VgsVt）如上图简化模型，mosfet导通和关断各有4个阶段P150导通是Id电流先增加t2，V

28、d电压后减小t3。电流增加时间是对Cg充电从Vt到VtIo/g的时间。电压减小的时间是利用Cgd流出电流驱动电阻电流关断是Vd电压先增加t2，Id电流后减少t3。电压增加时间是利用Cgd流出电流驱动电阻电流；电流减少是Cg放电从VtIo/g到Vt的时间t1阶段导通过程t1，Vgs从0上升到开启电压Vt，对CgCgsCgd充电关断过程t1，Vgs下降到最大电流时电压VtIo/g，CgCgsCgd放电t2阶段，有交越损耗导通过程t2，Id从0上升到Iog*（VgsVt），Vgs继续上升到VtIo/g，对CgCgsCgd充电Vd因漏感出现小尖峰，其余VdVin不变。t2是对Cg充电从Vt到VtIo/g的时间。关断过程t2，Vgs被钳位于VtIo/g不变，因为Io不变，Vg