AC/DC電源的設(shè)計(jì)原理

1、輸入整流濾波單元

本設(shè)計(jì)電源的輸入電壓是50Hz交流電壓85～265Vac，需要整流成直流再參與變換。最簡(jiǎn)單的方法是整流橋整流，50Hz交流電壓經(jīng)過(guò)全波整流后變成脈動(dòng)直流電壓，再通過(guò)輸入濾波電容得到直流高壓。

1)整流橋的選擇

整流橋的主要參數(shù)有反向峰值電壓VRR(V)，正向壓降VF(V)，平均整流電流IF(A)，正向峰值浪涌電流IFSM(A)，最大反向漏電流IRM(μA)。

整流橋的反向擊穿電壓VRM應(yīng)滿足下式要求：

VRM>1.25*1.4Vinmax 即1.25*1.4*265=450 V

應(yīng)選耐壓600V的整流橋

整流橋額定的有效值電流為IF，應(yīng)當(dāng)使IF≥3IRMS。計(jì)算IRMS的公式如下：

IRMS= Is= P/η/Vs=2.5/0.75/110=30.3 mA

實(shí)際選用lA、600V的整流橋，以留出一定余量。

2)輸入濾波電容器的選擇

鋁電解電容器的額定電壓的1.3倍作為電容器的浪涌電壓，工作電壓高于160V時(shí)，是額定工作電壓+50V作為浪涌電壓，這是生產(chǎn)廠家保證的電壓，可以允許在短時(shí)間內(nèi)承受此電壓。電容器處于浪涌電壓時(shí)，電流會(huì)很大，如果時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)爆開(kāi)。 所以鋁電容器應(yīng)該選用額定電壓稍高的，實(shí)際工作電壓為標(biāo)稱額定電壓的70~80%為宜，所以選用額定電壓值為400V的鋁電解電容。

由于模塊電源體積的限制，在85～265Vac的輸入范圍內(nèi)，前級(jí)儲(chǔ)能鋁電解電容的容值一般選取2倍于輸出功率的值，即2.5*2=5，綜上，鋁電解電容的取值以4.7μF/400V為宜。

2、功率變壓器的設(shè)計(jì)

1) 考慮到2.5W的輸出功率實(shí)際很小，還有模塊電源的體積限制。選擇截面積足夠而體積盡可能小的EPC13(Ae=12.5mm2)的鐵氧體磁芯來(lái)完成功率的轉(zhuǎn)換。

2) 計(jì)算ton

原邊繞組開(kāi)關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)在最低輸出電壓和最大負(fù)載時(shí)發(fā)生。 設(shè)D=ton/Ts=0.45

有：Ts=1/f=1*106/66*103=15.2 μs

ton =D* Ts =0.45*15.2=6.84 μs

3) 計(jì)算最低直流輸入電壓

設(shè)電源在最低電壓時(shí)輸出最大負(fù)載，計(jì)算輸入端的直流電壓。對(duì)于單項(xiàng)交流整流用電容濾波，直流電壓不會(huì)超過(guò)交流電壓有效值的1.4倍也不小于1.2倍?，F(xiàn)取1.3倍。

即：Vs=85*1.3=110 V

4) 選擇工作時(shí)的磁通密度值

已知EPC13的中心柱磁路的有效面積Ae=12.5mm2，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在100℃時(shí)是390mT，則65%的飽和值：

△Bac=390*0.65=250 mT。

[!--empirenews.page--]

5) 計(jì)算原邊匝數(shù)

因?yàn)樽儔浩鬏斎腚妷菏且粋€(gè)方波，一個(gè)導(dǎo)通期間的伏秒值與原邊匝數(shù)關(guān)系：

Np=Vs *ton/ (△Bac * Ae )

式中 Np—原邊匝數(shù)

Vs—原邊直流電壓

ton—導(dǎo)通時(shí)間

Ae—磁芯有效面積

即：

Np=Vs *ton/ (△Bac * Ae )

=110*6.84/(0.25*12.5)=240 匝

6) 計(jì)算副邊匝數(shù)

輸出電壓5V，整流管壓降0.5V，則副邊繞組對(duì)應(yīng)電壓值為

Vo= 5+0.5=5.5V

原、副邊繞組匝比為Vs*D/【Vo*(1-D)】=110*0.45/【5.5*(1-0.45)】=16.36

副邊匝數(shù)Ns=240/16.36=14.7 匝，取整數(shù)15匝

7) 自供電繞組的匝數(shù)

根據(jù)VIOer12A芯片的資料，自供電電壓取值為11V左右為宜，

則

Vf=15*(11+0.7)/(5+0.5)=31.9 匝，取整數(shù)32匝

8) 實(shí)際占空比及ton的計(jì)算

副邊匝數(shù)取整數(shù)15則實(shí)際占空比為0.44，

ton=15.2*0.44=6.69 μs

[!--empirenews.page--]

9) 原邊電感量的計(jì)算

設(shè)在最大占空比時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，原邊電流為Ip1，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，原邊電流上升到Ip2。若Ip1為0，則說(shuō)明變換器工作于斷續(xù)模式，否則工作于連續(xù)模式。

設(shè)計(jì)電源工作在連續(xù)模式，這樣開(kāi)關(guān)管、線路的損耗都比較小，而且可以減輕輸入輸出電容的工作應(yīng)力

設(shè)計(jì)電源工作在連續(xù)模式，由能量守恒，有下式：

1/2*(Ip1+Ip2)*D*Vs=P/η

連續(xù)模式設(shè)計(jì)，令I(lǐng)p2=3Ip1

這樣就可以求出變換器的原邊電流，由此可以得到原邊電感量：

Lp= D*Vs/(f*ΔIp)

ΔIp=Ip2-Ip1=2Ip1;

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電源的效率為75%，則電源全周期Ts的平均輸入電流Is為

Is=P/Vs=2.5/0.75/110=30.3 mA

則ton時(shí)間內(nèi)的電流

Im=ΔIp =Is*Ts/ton=30.3*15.2/6.69=68.84 mA

Ip1=Im/2=68.84/2=34.42 mA

Ip2=3Ip1=3*34.42=103.26 mA

ΔIp=Ip2-Ip1=103.26-34.42=68.84 mA

此電流等于ton時(shí)間內(nèi)的電流變化量△i

Lp=Vs*ton/△i=110*6.69/68.84=10.6 mH

10) 線徑的取值

設(shè)導(dǎo)線的電流密度為15A/m2

原邊電流Im=68.84m;副邊電流Io=500mA;自供電繞組電流約幾十個(gè)mA

根據(jù)計(jì)算得

0.08mm銅線可走電流75mA;

0.27mm銅線可走電流860 mA;

0.15mm銅線可走電流260 mA;

所以變壓器Np、Ns、Nf三個(gè)繞組的線徑分別取

0.08mm;0.27mm、0.15mm;

至此，功率電源變壓器的主要參數(shù)設(shè)計(jì)完成。同時(shí)，在變壓器的制作中還有一些工藝問(wèn)題需要注意。

3、輸出整流濾波單元

本設(shè)計(jì)電源的輸出電壓是5Vdc，需要先把變壓器變換過(guò)來(lái)的低壓方波整流成直流，然后用鋁電解電容儲(chǔ)能濾波。

由于整流的工作頻率等于功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，必須使用具有快速恢復(fù)功能的肖特基整流二極管作為輸出整流二極管。輸出整流二極管的標(biāo)稱電流(IF)值應(yīng)為輸出直流電流額定值(Io)的3倍以上,即IF1>3Io，大于1.5A;

整流管的反向耐壓值的計(jì)算

輸入電壓的最高值/匝比=265*1.3/16.36=25.8 V

依據(jù)此原則，輸出整流二極管采用2A/40V的肖特基二極管為宜，反向耐壓選擇稍高，有利于降低整流管上的損耗。

而整流部分使用的鋁電解電容不但容量要大，還要有較低的交流電阻，，否則就無(wú)法濾除電流中的高頻交流電成分，同時(shí)要考慮鋁電解電容的封裝體積不能過(guò)大，所以選用標(biāo)稱值330μF/10V的鋁電解電容。

為了降低輸出紋波，在電源的輸出端還要增加LC濾波單元，L取10μH左右的Ф4*7的小工字電感，C取100μF/10V的鋁電解電容。

[!--empirenews.page--]

4、控制反饋單元

控制反饋電路采用‘電壓基準(zhǔn)源TL431+光電耦合器P521’組合作為參考、隔離、取樣(電路圖見(jiàn)附錄二)。它可以將輸出電壓變化控制在±1%以內(nèi)。

反饋電壓由輸出端取樣。輸出電壓Vo通過(guò)分壓電阻R63、R64獲得取樣電壓后，與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并輸出誤差電壓，然后通過(guò)光電耦合器改變VIPer12A芯片的控制端電流IFB，再通過(guò)改變PWM寬度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓Vo,使其保持不變。光電耦合器的另一作用是對(duì)原、副邊進(jìn)行隔離。

自供電繞組的輸出電壓經(jīng)D31、C32整流濾波后，可給光電耦合器中的三極管提供電壓。

調(diào)整控制反饋單元的任務(wù)要確定R61、R62、R63及R64的值。該電路利用輸出電壓與TL431構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓比較，通過(guò)光電耦合器P521二極管-三極管的電流變化去控制VIPer12A芯片的FB端，從而改變PWM寬度，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

從VIPer12A的技術(shù)手冊(cè)可知IFB的典型電流應(yīng)在3mA，PWM會(huì)線性變化，因此光電耦合器P521三極管的電流Ice也應(yīng)應(yīng)在3mA左右。而Ice是受二極管電流If控制的，我們通過(guò)光電耦合器P521的Vce與If的關(guān)系曲線可以正確確定光電耦合器P521二極管正向電流If約為5mA。

再看電壓基準(zhǔn)源TL431的要求。從TL431的技術(shù)參數(shù)知，Vka在2.5V-37V變化時(shí)，Ik可以在從1mA到100mA以內(nèi)很大范圍里變化，一般選20mA即可，既可以穩(wěn)定工作，又能提供一部分死負(fù)載。

確定了上面幾個(gè)關(guān)系后，那幾個(gè)電阻的值就好確定了。根據(jù)電壓基準(zhǔn)源TL431的性能，R63、R64、Vo、Vr有固定的關(guān)系：

Vo=(1+ R63/R64) Vr

式中，Vo為輸出電壓，Vr為參考電壓，Vr=2.50V，先取R64一個(gè)值，一般R64的取值為10kΩ，根據(jù)Vo的值就可以算出R63

R63=(Vo/ Vr-1)* R64=(5/2.5-1)* 10kΩ=10kΩ

再來(lái)確定R61和R62。由前所述，光電耦合器P521的If取5mA，先取R61的值為430Ω，則其上的壓降為

Vr1=If* R61=5*430=2.2V

由光電耦合器P521技術(shù)手冊(cè)知，其二極管的正向壓降Vf典型值為1.1V，則可以確定R62上的壓降

Vr3=Vr1+Vf=2.2+1.1=3.3 V

又知流過(guò)R62的電流Ir3=Ik-If，因此R62的值可以計(jì)算出來(lái)：

R62= Vr3/ Ir3= (Vr1+Vf)/( Ik-If) =3.3/(20-5)=220Ω

根據(jù)以上計(jì)算得出結(jié)果：

R61=430Ω、R62=220Ω、R63=10KΩ、R64=10KΩ