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有源箝位技术的PC电源设计

发布时间:2020-06-12 发布时间:
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    对于控制IC的选择,其高压输入的变换器推荐为NCP1282,低成本的可以选择UC3843+UC3714,当然也可选择UCC2893(UCC2894)或其它。
    选定控制IC之后必须熟悉其外围电路元件及其基本方框电路的特性,以下是一些器件的选择及设计注意事项,供参考。

1 功率器件的选择
1.1 主功率MOSFET
    一般选择VDS=(1.8~2)VINmax,这里选择800V。
    通过计算,选MOS QMAIN,8~10A足够,为留一定余量,可以选11~14A,选择过大的MOS并非是最上策。在高输入电压时,导通损耗不是太大,过大的MOS驱动损耗会加大,开关速度明显变慢,会给200kHz时的ZVS带来困难。
    选择MOS时不仅根据电压电流,还要在数据表中找出其Qg,RSDOX,ton,toff及Coss,并记录下来。
1.2 箝位MOS
    由于变压器中磁能总量毕竟是有限的,所以箝位MOS QAUX耐压仍选800V,电流只选择QMAIN的1/3即可,但选择Qg AUX小的MOS以便减小驱动损耗,选择好以后,记下其ton,toff及Coss,RDS(on)。
1.3 同步整流MOS QF及QR的选取
    由于PC工作在PFC的400V相对稳定的输入电压之后,占空比变化很小,基本控制在45~48%,所以QF及QR的电压、电流选取很相象,可统一考虑。
    首先选择耐压,对于12V输出时在45%的占空比之下,选择60V MOSFET比较合适。它承受最高2.2倍的输出电压,加上开关时的尖峰电压,并取20%的安全系数,当然也可以选50V的MOSFET。若VIN变化大,则按最坏情况考虑。
    对于MOS电流的选取,则主要按照导通电阻RSDON来考虑,以得到最高的整流效率,所以其IDS为输出电流的四倍以上,必要时采用几个MOSFET并联,以解决RSDON的问题。若按公式计算则要计入电感中的纹波电流。
    对于占空比较大的情况,两个MOS QF及QR则要独立计算,分别选取。
1.4 输出滤波电感的计算和设计
    输出滤波电感在PC电源中,经常是将12V与5V两组合在一起绕制,为了提高两输出电压的交叉调整率,还要提高它的耦合度。对输出滤波电感因其直流成份为主,不用考虑导线的超肤效应,也不要考虑用过大的感量,以选择好磁芯后将两组电感都绕下为上策。一般取:
   
    电感磁芯的选取一般考滤MPP磁芯,它的饱和磁密B值高,工作频率高,损耗较小,因为我们是在200kHz下的ZVS工作方式。电感中的纹波电流为:
    因此,考虑磁芯的饱合度时,按(Iout+2△ILO)大小的电流处理。
1.5 输出滤波电容的计算和设计
    输出滤波电容要考虑工作频率,纹波大小,电容的ESR及ESL,由于有源箝位工作在200kHz之下,又考虑到成本,所以必须选择优质的低ESL及ESR铝电解电容,减小每个电容的容量,增加并联电容的数量,由于工作频率的提升已经比67.5kHz的方案少用一半容量的电容,因此上策是数量不变,减小单个容量,大约减一半左右。
   
    这是最小的限定值,实际应该参照ESR、ESL大约加出50~80%,应对负载的变化,限制瞬态电压不超过3%,则有:
   
    为了减小噪声,在电解电容的最终点要加入一支瓷片电容消除噪声,容量为10μF左右。
1.6 功率变压器的设计
    功率变压器的设计计算与硬开关状态的计算方法完全一致,再测出Lm,Lr。接入电路后,先串入外部电感Lr,调好功率MOS的ZVS状态后,取下外串电感Lr,加入气隙达到与试验相同的主功率MOS的ZVS状态,记录此时变压器的Lm及Lr,以上即为设计结果。变压器的导线切记f=200kHz,而不能选择d超过0.27mm的导线。大电流时宜选择铜箔,铜箔应纵向切开缝隙减少涡流损耗。在磁芯磁密选择时考虑到200kHz频率,B值不宜超过2200高斯。

2 箝位电容MOS及相关元件的设计
    变压器驱动法,IC驱动法可参考L6384的驱动设计。
    对于箝位电路,核心是令变压器磁芯完全复位,使其工作在第I和第Ⅲ象限,这里主要按伏秒积考虑。
   
    箝位电容较大时,主功率MOS耐压可以降低,箝位电容较小时,变压器复位时间较长,按工作频率及主功率MOS的波形,做最后调试决定。

3 功耗计算及效率预估
3.1 主功率及箝位MOSFET的功耗
    选定主功率MOS之后,查出其RSDON,工作在ZVS状态,主要功耗为导通损耗。
   
    但是其Coss充放电造成的谐振损耗是拿不掉的,应该计算。其计算式为:
   
    式中,VCL为箝位电容上的电压最高值。驱动损耗的发热在驱动器部分不在MOS上。实际上因为达不到绝对的零开关损耗,实际损耗比上述计算值要大出10%左右。
    箝位MOS的功耗更难于计算,可按主功率MOS功耗的30%来估算。
3.2 同步整流MOS QF的功耗
   在最坏条件下,QF功耗主要为导通损耗,其次为开关损耗。
   
   
    开关损耗为开启损耗及体二极管反向恢复损耗,两项加在一起可按导通损耗的50%估算。
   
3.3 回流MOS QR的功耗
    在最坏情况下,QR的功耗主要为导通损耗及体二极管反向恢复损耗。
   
3.4 其它损耗
    (1)功率变压器的损耗
    功率变压器损耗的计算很繁锁,为简化设计按总功率的1.5~1.8%估算,其损耗来源为铜损及铁损,铜损由导线电阻造成,若是铜箔还有涡流损耗。铁损即磁芯损耗,主要为磁滞损耗及涡流损耗。
    (2)输出滤波电感的损耗
    输出滤波电感的损耗与变压器类似,主要是铜损及铁损,按总功率的0.5~0.8%考虑估算。
    (3)输出滤波电容的损耗
    输出滤波电容的损耗主要为在开关频率下的ESR、ESL以及电解电容的漏电造成,此部分开始估算时可以忽略。
    (4)控制电路的功耗
    控制电路的功耗包括初级的控制IC静态功耗,对主功率MOS,箝位MOS的驱动功耗,对同步整流MOS的驱动功耗,反馈放大器及光耦部分的功耗,可按0.5%的总功耗估计。

4 其它设计
4.1 PFC设计
    PFC按CCM方式设计,建议选择ICE1PCS01或NCP1653。工作频率建议选为PWM的一半,若能令两者同步更为可取。主要求出升压电感L,升压二极管D,主功率MOSFET-Q的选择及功耗计算,Bulk电容的计算和选择。
    对于PCB设计,由于有源箝位方式的工作频率比双晶正激电路高一倍多,所以它的PCB-Layout要给予更多的关注。可按照PFC、PWM控制IC的应用注意认真处理。
4.2 输出设计
    对于5V及3.3V的输出设计,建议选择Post Regulator方案,当然按成本考虑也可以采用磁放大器:在反馈系统设计时,建议选择开环增益更高的运算放大器LM358。


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