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如何设计返驰式隔离电源
(作者黄荣丰)2005/06/27
导言
本文以FPS为例来介绍如何设计返驰式隔离电源。设计电源供应器基本上是很花功夫的工作,需要对许多变量反复作演算与取舍。我们列出并说明一步一步的设计程序期望使设计电源供应器能容易一些。文章最后之辅助设计软件FPS Design Assistant包含本文介绍之相关计算式,可让设计过程更有效率。
如何设计FLYBACK隔离电源供应器
图1是使用FPS(Fairchild Power Switcher)返驰式隔离电源转换器的基本线路图,本文并会以此为参考线路来说明如何设计FLYBACK隔离电源供应器。因为运用整合MOSFET、PWM及其它周边线路于单一封装的FPS,比利用独立之MOSFET及PWM控制器来设计电源供应器要简单许多。在设计电源供应器会考虑变压器之设计、输出滤波电感、输出与输入电容的选择及封闭回路补偿的计算。因此我们按照图1之参考线路,依特定的步骤来设计我们所需之线路。最后附录范例,则是利用此步骤而设计的辅助软件来帮助我们完成整个线路计算。
▲图1:基本的flyback隔离电源转换器
设计步骤
本文将以目前的参考线路来说明设计的步骤。而几乎所有FPS其第一脚至第四脚的功能定义是不变的。因此此参考线路适合大部份的FPS。
■步骤1 决定系统规格:
◎输入电压范围(Vlinemin及Vlinemax)
◎输入交流电频率
◎最大输出功率(Pout)
◎预估的效率(ηeff):首先我们需要预估系统效率以计算最大输入功率。当没有数据供参考时,一般我们会在低电压输出应用时,效率设在η eff = ~。在高电压输出应用时则设η eff = ~。
以预设的效率可算出输入功率为:
若在多组输出的状况下,每组输出所占之比例系数为:
其中Po(n)为第N组之最大输出,若电源供应器只有单组输出则KL(n) =1,考虑最大输入功率以选用适当的组件(如最适当的FPS)。
■步骤2决定输入滤波电容容值(CDC)及其电压VDC之范围:
最大VDC之涟波电压如下式:
其中Dch是CDC电容充电工作周期如图2所示。。对全范围电压输入(85~265Vrms),应设定ΔVDCmax为√2Vlinemin的10~15%。
▲图2:输入滤波电容波形
由ΔVDCmax,可知最大及最小之VDC
■步骤3决定最大之工作周期比(Dmax):
M),(sub-harmonic oscillation)。从(6)及(7)式表示输出反射在一次侧之电压(VRO)与MOSFET的最大标称电压(nominal voltage)
得知施加在MOSFET的电压会因Dmax减少而降低。但亦会增加施于二次侧整流二级体之电压。因此在有足够的MOSFET耐压条件下,可尽量设大Dmax之值,。
■步骤4决定一次侧之电感值:
Flyback电源转换有两种工作模式:连续导通模式(continuous conduction M)及不连续导通模式(
discotinuous conduction mode,DCM)。工作模式的变换取决于负载电流与输入电压的变化。因此以最大输出电流与最小输入电压为条件设计一次侧之电感。
其中fs为切换频率而KRF是涟波因素如图3所示。在DCM工作模式时,KRF =1;在CCM工作模式时,KRF<1。对全范围输入电压,合理之KRF=~。
而MOSFET的最大峰值电流及均方根电流如(9)及(10)式:
检查MOSFET之最大峰值电流是否低于FPS脉冲电流限流。
▲图3:MOSFET Drain电流与涟波因素(KRF)
■步骤5决定适当铁心及一次侧最小绕线圈数:
实际上,一开始时,因有许多变量而只能大略的选择铁心。若有制造厂商之选择指南,可参照来选择适当的铁心,若无可参考之数据,则使用(13)之等式作为起点。
如图4所示Aw为铁心窗户面积、Ae为铁心截面积。(单位为mm2)
ΔB为在正常工作下磁通密度的变化量(单位为Telsa),对大部分之功率铁氧体磁铁心(ferrite core)来说,~。
根据所选之铁心,避免变压器饱合之一次侧最小圈数如(14)式:

其中Imin为FPS之限流值,Bsat为饱和磁通密度。~。

▲图4:窗户面积与铁心截面积
■步骤6决定每一输出之圈数:
首先,决定一次侧与用于回授控制之输出二次侧