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正点原子新作:阿波罗STM32F767&F429&探索者STM32F4开发板&赶快来下载资料哦。

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【太实用了】电源适配器变压器计算与元器件选型、细,全!

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发表于 2017-10-25 16:39:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
正点原子公众号
适配器设计计算23步骤
12V1.5A方案设计 芯片:......
1输入:100-264V
2输出:12V1.5A
3效率:84%(5级能效80.2%,为便于生产故选84%)
4Vcc:14V(选择VCC开启阀值)
5工作频率:60K  (PFM)
这里讲下PFM PFM优点空载时处于降频模式也就降低了我们的开关损耗和导通损耗及IC负载低于一定的时候进入睡眠模式就是IC规格书中写到的静态电流稳态电流,就是说降低了IC的消耗,缺点是纹波动态响应没有PWM好
6Dmax:0.45  占空比大于0.5会带来环路不稳定的缺陷所以大家都控制在0.5以内
7ΔBBs-Br)*n=ΔB=(390-55)*0.6=0.2T
Bs:390mT/100℃
Br:55mT  各家参数不同安全值取0.3Tmax     
CCM连续模式,电流不为零,ΔB变小,n取60%      ΔB取值个人习惯
8Vinmin、Vinmax计算:
Vinmin=Vacmin*1.2=90*1.2=108V   
Vinmax=Vac*1.414=374V   
9磁芯选择:
AP=【(Po/η+Po)*10000】/(2*ΔB*ƒ*J*Ku)
=【(18/0.84+18)*10000】/(2*0.2*60*1000*400*0.2)
=394285.7/1920000
=0.205cm4
ƒ=60*1000 (Hz)
J电流密度=400
Ku绕组系数=0.2  
EF25 AP=0.2376cm4 AE=51.8 mm2
设计经验:
1、Ae值小效率低温度高,磁芯面积小扇热差,罐装磁芯辐射好,长宽磁芯漏感小。
2、Ae=Po*2 本人更喜欢这个公式Ae=18*2*1.4=50.4mm2
取:EF25:AE:51.8mm2
当然以上2种都可以选择。
10Np计算:
初级匝数:
Np=VINmin*ton/ΔB/AE  
Np=108*7.5/0.2/51.8
=78.18T 取整79T     
11NS计算:
次级匝数:NS=(Vo+Vd)*(1-Dmax)*NP/(VINmin*Dmax)
=(18+0.6)*(1-0.45)*78/(108*0.45)
=11.12T取整11T
12N计算:  
匝比计算:N=Np/Ns=79/11=7.18T
13Iav计算
平均电流:Iav=Po/η/Vinmin =18/0.84/108 =0.198A
14Ipk计算:峰值电流计算
Ipk=Ipk1+Ipk2=Iav*2/Dmax =0.198*2/0.45=0.88A  
15ΔI计算:
电流变化率ΔI 计算:CCM Ip2=3Ip1
DCM Ip1=0
0.88/4=IP1=0.22
0.22*3=IP2=0.66
ΔI =Ip2-Ip1
=0.66-0.22=0.44A
16电流有效值CCM:Irms==0.88*0.512=.45A
17Lp计算:
初级电感量计算:Lp=Vinmin*ton/ΔI=108*7.5/0.44=1.8mH 我们实际使用的要比计算的小一些这里算一个经验值吧再乘以0.7=1.26mH
18验证是否饱和:ΔB=Lp*Ipk/Np/Ae=1.26*0.88/79/51.8=0.27T<0.3T
19Ipks计算:
次级峰值电流:Ipks=Ipk*N=0.88*7.18=6.3A
20Irmss计算:
次级有效值计算: CCM Irms=6.3*0.566=3.57A
21Dp计算
初级线径计算:Dp=(Irms/π/J)开根号*2
=(0.45/3.14/6)开根号*2=0.3mm  
J电流密度取5-7  
22Ds计算:
次级线径计算:Ds= (3.75/3.14/7)开根号*2=0.82mm
绕不下的情况下降额70%=0.57
J电流密度取6-8
集肤深度:导线线径不超过集肤深度的2倍,若超过集肤深度,则需多股并绕。δ=66.1/√∫cm=66.1/244.94=0.269mm   0.269*2=0.54
多股线计算=0.7/根号股数=0.57/1.414=0.4mm*2
23Nvcc计算:
反馈绕组计算:
Va=(Vo+Vd)/Ns=12.6/11=1.145V/T
Nvcc=Vcc/Va
=14/1.145
=12.22T 取12T
Lp:1.2mm 1K0.25V
Np:79T 0.3mm
Ns:11T 0.4*2mm
Nvcc:12T  0.15mm
NP放在第一层这样每咋的长度最短减少匝间电容,起线放在MOS端使dv/di最大的部分被绕组屏蔽EMI较好
Vcc绕组PSR放在最外层,有利于初次级耦合减少初级和Vcc绕组耦合有利于输出电压精度
SSR模式将Vcc放在初次级之间充当屏蔽。尽量满层。
变压器绕指的几个经验规则
初级绕组必须在最里层:这样可以缩短每匝导线的长度,减小其分布电容,同时初级绕组还能被其他绕组屏蔽,降低其电磁干扰。
初级绕组的起始端应接到MOSFET 漏极:利用初级绕组的其余部分和其他绕组将其屏蔽,较小从初级耦合到其他地方的电磁干扰。
初级绕组设计成2 层以下:这样能把初级分布电容和漏感降到最低,在初级各层间加1 绝缘层,能将分布电容减小到原来的1/4 左右。
绕制多路输出的次级绕组:输出功率最大的次级绕组应靠近初级,以减小漏感。如次级匝数少,无法绕满一层,可在匝间留间隙以便充满整个骨架,当然最好是采用多股并绕的方法。
反馈绕组一般在最外层:此时反馈绕组与次级绕组间耦合最强,对输出电压的变化反应灵敏,还能减小反馈绕组与初级绕组的耦合程度以提高稳定性。
屏蔽层的设计:在初、次级之间增加屏蔽层可减小共模干扰,最经济的办法是在初次级间专绕一层漆包线,一端接Vi(或Vd),另一端悬空并用绝缘带绝缘而不引出,线径可选0.35mm。但是因为线于线之间有间隙没有铜箔效果好。
铜片屏蔽带:可用1 铜片环绕在变压器外部,构成屏蔽带,相当于短路环,对泄漏磁场起抑制作用,屏蔽带应与Vd 连通
8. 安全试验:变压器绕好后在外面缠3 层绝缘胶带,插入磁芯,浸入清漆,然后进行安全测试。对于110V电源,初次级间应能承受2000V 交流试验电压,持续时间60s,漏电距离为2.53mm;对于220V 电源,需承受3000V 的交流试验电压,漏电距离为56mm。各绕组首尾引出端需加绝缘套管,套管壁厚不得小于0.4mm
下面聊下调试经验
1/2*Lp*Ipk*Ipk*ƒ=Po/η   PFM 变频模式 这里要设计好频率一般满载60K  频率高了变压器和输入大点解温度会下降但是MOS温度会上升所以这里要调试一个平衡。
1/4*N*Ipk=Io 匝比大了Ipk会下来MOS的温度会下降,肖特基反向电压下降,但是变压温度会上升 Vds电压会升高
初级级之间加屏蔽,铜箔屏蔽要比线屏蔽效果好,线跟线之间存在缝隙。需要时磁芯外可以包外屏蔽但是屏蔽也是会产生损耗的效率会下降。
在效率低Vds高的情况下可以采用三明治绕法提升效率减小Vds
变压器计算完了,网上有很多计算方法我这算是结合验证还是蛮准的.
元器件的选型
1保险丝。
If=Iav/0.6*20.6为不带PFC
=0.198/0.6*2
=0.66A
电压 额定输出电压90-240V 250V的保险丝即可。
2压敏电阻:V1ma=a*Vinmax/b/c
=1.2*374/0.85/0.9
=487.9V
a:电压波动系数1.2
b:压敏误差系数0.85
c:压敏老化系数 0.9
浪涌波形发生器对外输出有2欧的电阻,打1KV差模浪涌时流通容量:1000/2*2=1000A
3输入大电容
2Po=C=18*2=36uF 故此选择33uF电容
如电容选小了会发生如下情况:
1、纹波电流大会使电容发热。
2、无法满足维持输出功率的能量导致带不起载。
3、低频纹波大。
4、在满足容量的情况下,尽可能的前面放一个小电容后面放一颗大电容,对0.5M前的EMI有很好的效果。
这里注意电容越大MOS的温度会降低
4X电容
输入2pin2类,输入3pin1类,2类加强绝缘,1类基本绝缘。2类选择X2电容,容量越大传导效果越好,安规规定X电容超过0.1uF需要加释放电阻,保证输入断电1S内降到安全电压,输入峰值电压的37%
0.65*R*Cx=1  Cx0.22uF
R=1/0.65/0.22=7Mmax  CxuF  R单位M
R=1/0.65/0.22=7M max  我们选择R1A 1M R1B 2M 这里还要注意耐压我们选择21206贴片电阻
因其他放电回路X电容漏电流这些因数所以最好实测调试。
5Y电容:
根据初级峰值电压选取Y1Y1参数交流额定工作电压250V 直流额定工作电压400V
二类产品漏电流小于0.25mA
CY=Ileakage/2/π/ƒ/Vrmsmax=0.25/2/3.14/60/264*10-6=2.5nFmax
可以选择不超过2500pF的电容 我们先选择222/400V的,也可以选择2Y2串联,电容串联容量减半,并联叠加。
不要超过2500pF 具体选择根据EMI实际情况选择
6滤波电感
共模电感差模电感,理论上电感越大EMI效果越好,但是差模电感大电感带来的是匝数多,分布电容大,可能会适得其反。
这里我一直按照个人经验,先选个20mH的感量(传导不过的情况下再试着加大感量) 线径Dp=0.3*0.7=0.21mm
7桥堆选择
Vd=2√2*Vinmax=2*Vinmax=747V
470V压敏防雷击后其残压越800V左右*1.1(它表示在规定的冲击电流Ip通过压敏电阻器两端所产生的电压此电压又称为残压,所以选用的压敏电阻的残压一定要小于被保护物的耐压水平。)
Vd=775*1.1=852.5V 471最大残压775V
BR1=5*Iav=5*0.198=0.99A
选择1A1KV
8RCD吸收
网上很多计算方法,我也看了很多实验了很多,我觉得算的没有意义太繁琐结果页不是很满意,先采取典型电路配置,个人更喜欢150K电阻,102的电容,加一颗慢管。
电阻电容具体这么选择呢我觉得还是调试把效率和Vds调整到一个合适的平衡,二极管,我看过其他人先的文章说的都有道理,所以我一般能过辐射即可,这里注意满足有异音和这个管子及电容有关系。
对于小功率推三极管的尽量还是选慢管可以减小MOS关闭时的震荡频率。
9CS电阻
Vcs<Rcs*Ipk Vcs=Rcs*Ipk*1.2
VCS尽量取低一点避免饱和对充电设备来说恒流更精准,这里注意我有碰过一些IC老化后OCP下降满载掉电压,所以要多试验多验证。
10VCC电容
大了起机速度慢,小了在满载转空载会出现馈电的情况,最严重的满载转空载,VCC进入欠压保护。这里讲一个经验,国产的芯片ESD做的不是太好所以画板时尽量Vcc电容靠近Vcc脚,所有的低单点接地。


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