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采用UCC3809初級側(cè)控制器的隔離型50W反激式轉(zhuǎn)換器

對于功率等級為150W(或更低)的單輸出或多輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器而言,反激式功率級是一種普遍的選擇。由于它不像降壓型
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(比如:正激式或推挽式轉(zhuǎn)換器)那樣需要使用輸出電感器,因此縮減了元件數(shù)目和成本。
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2012-05-29 14:38

反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

可供選擇標(biāo)準(zhǔn)功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種,他們各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。比如低功率、簡單性、隔離度、輸入和輸出文波電流以及低成本等因素做了謹(jǐn)慎的思考后。選擇啦反激結(jié)構(gòu)。

下面上圖.

 

 

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2012-05-29 14:39
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反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇標(biāo)準(zhǔn)功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種,他們各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。比如低功率、簡單性、隔離度、輸入和輸出文波電流以及低成本等因素做了謹(jǐn)慎的思考后。選擇啦反激結(jié)構(gòu)。下面上圖.  

 

反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖!

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2012-05-29 14:42
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[圖片] 反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖!
 
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2012-05-29 14:56
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[圖片] 

控制方法

電壓模式控制已經(jīng)被電流模式控制所超越。這是因?yàn)殡娏髂J娇刂颇軌驅(qū)€路輸入電壓變化立即做出響應(yīng),并為開關(guān)器件提供啦過流保護(hù)。傳統(tǒng)的峰值電流模式控制將進(jìn)過放大的輸出電壓誤差與初級電感器電流信號進(jìn)行比較。把UCC3809脈沖調(diào)制器(PWM)用作控制器,經(jīng)放大的輸出電壓誤差與初級電感器電流的斜率坡相加,并與一個1V門限進(jìn)行比較。內(nèi)部電流控制環(huán)路包含一個小的電流檢測電阻器,用于檢測初級電感器的電流,該電阻器將此電流波形變換為一個電壓信號并直接送至初級測PWM比較器中。內(nèi)部環(huán)路用于確定針對輸入電壓變化的響應(yīng)。外部電壓控制環(huán)路負(fù)責(zé)將輸出電壓的一部分與一個位于次級側(cè)誤差放大器輸入端上的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。這個經(jīng)過分壓的輸出電壓用于驅(qū)動UC3965中的誤差放大器的反相輸入,然后驅(qū)動一個內(nèi)部反相輸出緩沖器。由此產(chǎn)生的輸出接著驅(qū)動一個光耦器。

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2012-05-29 15:15
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控制方法電壓模式控制已經(jīng)被電流模式控制所超越。這是因?yàn)殡娏髂J娇刂颇軌驅(qū)€路輸入電壓變化立即做出響應(yīng),并為開關(guān)器件提供啦過流保護(hù)。傳統(tǒng)的峰值電流模式控制將進(jìn)過放大的輸出電壓誤差與初級電感器電流信號進(jìn)行比較。把UCC3809脈沖調(diào)制器(PWM)用作控制器,經(jīng)放大的輸出電壓誤差與初級電感器電流的斜率坡相加,并與一個1V門限進(jìn)行比較。內(nèi)部電流控制環(huán)路包含一個小的電流檢測電阻器,用于檢測初級電感器的電流,該電阻器將此電流波形變換為一個電壓信號并直接送至初級測PWM比較器中。內(nèi)部環(huán)路用于確定針對輸入電壓變化的響應(yīng)。外部電壓控制環(huán)路負(fù)責(zé)將輸出電壓的一部分與一個位于次級側(cè)誤差放大器輸入端上的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。這個經(jīng)過分壓的輸出電壓用于驅(qū)動UC3965中的誤差放大器的反相輸入,然后驅(qū)動一個內(nèi)部反相輸出緩沖器。由此產(chǎn)生的輸出接著驅(qū)動一個光耦器。

光耦輸出也被直接反饋到初級側(cè)PWM比較器。當(dāng)輸出電壓上升到高于期望電平時(shí),繼續(xù)驅(qū)動光耦。從而迫使PWM比較器關(guān)斷至開關(guān)元器件的柵極驅(qū)動電壓。該外部環(huán)路確定啦對于負(fù)載變化的響應(yīng)。峰值電流模式控制所需要的補(bǔ)償比較簡單。并擁有逐個脈沖電流限制功能和更好的負(fù)載電流調(diào)節(jié)性能、、,由于次級電流已經(jīng)相當(dāng)大,英雌選擇連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。不連續(xù)模式的初級和次級RMS電流有可能高達(dá)CCM的2被。不連續(xù)導(dǎo)通模式將需要采用一個比較高額定電流的晶體管。由于輸出紋波電流比采用不連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)要小,因此輸出電容器比較小。

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7
2012-05-29 15:18
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光耦輸出也被直接反饋到初級側(cè)PWM比較器。當(dāng)輸出電壓上升到高于期望電平時(shí),繼續(xù)驅(qū)動光耦。從而迫使PWM比較器關(guān)斷至開關(guān)元器件的柵極驅(qū)動電壓。該外部環(huán)路確定啦對于負(fù)載變化的響應(yīng)。峰值電流模式控制所需要的補(bǔ)償比較簡單。并擁有逐個脈沖電流限制功能和更好的負(fù)載電流調(diào)節(jié)性能、、,由于次級電流已經(jīng)相當(dāng)大,英雌選擇連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。不連續(xù)模式的初級和次級RMS電流有可能高達(dá)CCM的2被。不連續(xù)導(dǎo)通模式將需要采用一個比較高額定電流的晶體管。由于輸出紋波電流比采用不連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)要小,因此輸出電容器比較小。
連續(xù)導(dǎo)通模式的缺點(diǎn):需要一個較高的磁化電感(以在整個范圍內(nèi)處于CCM)和一個右半平面零點(diǎn)(在其轉(zhuǎn)移函數(shù))。
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2012-05-29 15:30
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連續(xù)導(dǎo)通模式的缺點(diǎn):需要一個較高的磁化電感(以在整個范圍內(nèi)處于CCM)和一個右半平面零點(diǎn)(在其轉(zhuǎn)移函數(shù))。

最大占空比和匝數(shù)比

既然決定啦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(反激式)和控制方法(峰值電流模式控制)下一個要做的就是決定最大占空比DMAX應(yīng)該取多少?占空比是Q1(拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖)的接通時(shí)間與總周期之比,即:D=TON/T。在CCM反激式轉(zhuǎn)換器中,最大占空比將決定變壓器的匝數(shù)比,并且影響到開關(guān)元器件上所承受的最大電壓應(yīng)力。對于本設(shè)計(jì)而言,選擇的是45%的最大占空比。如果對加以限制,那么可供選擇的控制器IC就要多些,因?yàn)槟壳笆忻嫔系迷S多同類IC都有百分之50的最大占空比限值。

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2012-05-29 15:32
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最大占空比和匝數(shù)比既然決定啦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(反激式)和控制方法(峰值電流模式控制)下一個要做的就是決定最大占空比DMAX應(yīng)該取多少?占空比是Q1(拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖)的接通時(shí)間與總周期之比,即:D=TON/T。在CCM反激式轉(zhuǎn)換器中,最大占空比將決定變壓器的匝數(shù)比,并且影響到開關(guān)元器件上所承受的最大電壓應(yīng)力。對于本設(shè)計(jì)而言,選擇的是45%的最大占空比。如果對加以限制,那么可供選擇的控制器IC就要多些,因?yàn)槟壳笆忻嫔系迷S多同類IC都有百分之50的最大占空比限值。

 CCM反激轉(zhuǎn)換器的DC轉(zhuǎn)移函數(shù)為:

 

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2012-05-29 15:39
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 CCM反激轉(zhuǎn)換器的DC轉(zhuǎn)移函數(shù)為:[圖片] 

式中,VO等于輸出電壓(5V)

           VD=整流器D1兩端的正向壓降,假設(shè)為0.8V

           VIN=32v至72V        VIN(min)=32V

           Vrds(on) =MOSFETQ1兩端的導(dǎo)通壓降,等于RDS(ON)*I(PRIMARY)假設(shè)為1V

           N=匝數(shù)比,等于NP/NS

           NS=變壓器次級匝數(shù)

           NP=變壓器的初級匝數(shù)

           D=占空比

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2012-05-29 15:45
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式中,VO等于輸出電壓(5V)           VD=整流器D1兩端的正向壓降,假設(shè)為0.8V          VIN=32v至72V       VIN(min)=32V           Vrds(on) =MOSFETQ1兩端的導(dǎo)通壓降,等于RDS(ON)*I(PRIMARY)假設(shè)為1V           N=匝數(shù)比,等于NP/NS          NS=變壓器次級匝數(shù)          NP=變壓器的初級匝數(shù)          D=占空比
在最小輸入電壓條件下,最大占空比為0.45。將這些數(shù)據(jù)帶入(1)式,得出的匝數(shù)比為4.66 。匝數(shù)比與峰值初級電流IPEAK成反比,但與開關(guān)元件上的電壓應(yīng)以成正比。所以峰值電流將不會變的太大,而且MOSFET的電壓應(yīng)力將被保持于應(yīng)可能低的水平。匝數(shù)比僅四舍五入至下一個整數(shù)值5.簡單的說就是:每一匝次級繞組對應(yīng)于五匝初級繞組。重新計(jì)算式(1)得到一個48%的實(shí)際DMAX
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2012-05-29 15:57
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在最小輸入電壓條件下,最大占空比為0.45。將這些數(shù)據(jù)帶入(1)式,得出的匝數(shù)比為4.66。匝數(shù)比與峰值初級電流IPEAK成反比,但與開關(guān)元件上的電壓應(yīng)以成正比。所以峰值電流將不會變的太大,而且MOSFET的電壓應(yīng)力將被保持于應(yīng)可能低的水平。匝數(shù)比僅四舍五入至下一個整數(shù)值5.簡單的說就是:每一匝次級繞組對應(yīng)于五匝初級繞組。重新計(jì)算式(1)得到一個48%的實(shí)際DMAX

開關(guān)頻率

人們傾向于采用盡可能高德開關(guān)頻率,因?yàn)檫@樣一來磁芯元件和濾波器將會比較小。很不辛德是,這一判斷并不是那么得清晰明確。磁芯損耗,柵極電荷電流和開關(guān)損耗將隨著開關(guān)頻率的提高而增加,峰值電流則隨著開關(guān)頻率的下降而增大,必須在元件的尺寸,電流水平和可接受的損耗之間尋求某一折中值,另外與其他系統(tǒng)的同步和兼容性也科恩那個是決定性的因素。對于本設(shè)計(jì)來說,選擇的時(shí)一個70KHZ的固定頻率(FSW)。在DMAX=48%,TON(MAX)變?yōu)?.9US

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2012-05-30 08:42
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開關(guān)頻率人們傾向于采用盡可能高德開關(guān)頻率,因?yàn)檫@樣一來磁芯元件和濾波器將會比較小。很不辛德是,這一判斷并不是那么得清晰明確。磁芯損耗,柵極電荷電流和開關(guān)損耗將隨著開關(guān)頻率的提高而增加,峰值電流則隨著開關(guān)頻率的下降而增大,必須在元件的尺寸,電流水平和可接受的損耗之間尋求某一折中值,另外與其他系統(tǒng)的同步和兼容性也科恩那個是決定性的因素。對于本設(shè)計(jì)來說,選擇的時(shí)一個70KHZ的固定頻率(FSW)。在DMAX=48%,TON(MAX)變?yōu)?.9US

繼續(xù)

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2012-05-30 09:00
@high-eff
繼續(xù)

變壓器設(shè)計(jì)

反激變換器中的變壓器實(shí)際上市具有多個繞組的耦合電感器,變壓器提供耦合和隔離。而電感則是提供能量存儲,存儲電感器空氣隙中的能量等于:

E=LP*(IPEAK)^2/2

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2012-05-30 09:04
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變壓器設(shè)計(jì)反激變換器中的變壓器實(shí)際上市具有多個繞組的耦合電感器,變壓器提供耦合和隔離。而電感則是提供能量存儲,存儲電感器空氣隙中的能量等于:E=LP*(IPEAK)^2/2

式中,E的單位為焦耳,LP為初級電感量(單位為亨利)而IPEAK為峰值初級電流(單位為:安培)當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),由于變壓器的點(diǎn)配原因,D1被施加了反向偏置。在次級繞組中沒有電流,初級繞組中的電流以一個由上式給書的斜率持續(xù)上升

 

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2012-05-30 09:14
@high-eff
式中,E的單位為焦耳,LP為初級電感量(單位為亨利)而IPEAK為峰值初級電流(單位為:安培)當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),由于變壓器的點(diǎn)配原因,D1被施加了反向偏置。在次級繞組中沒有電流,初級繞組中的電流以一個由上式給書的斜率持續(xù)上升 

 

式中的VIN(min) 和 VRds(on)是事先確定的,而△T在VIN(min)的條件下等于Ton(max)此時(shí),輸出電容COUT負(fù)責(zé)提供所有的負(fù)載電流,由于轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式,因此△IL 是電感器電流的變化,在發(fā)生變化時(shí)變現(xiàn)為一個正斜率斜坡。當(dāng)初級接通時(shí),由于仍有電流一流在次級繞組中,因此存在階躍。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí),電流流過次級繞組和D1(在發(fā)生變化時(shí)變現(xiàn)為一個負(fù)斜率斜坡)從而對COUT進(jìn)行在充電并直接向負(fù)載提供應(yīng)電流。

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17
2012-05-30 09:44
@high-eff
[圖片] 式中的VIN(min) 和VRds(on)是事先確定的,而△T在VIN(min)的條件下等于Ton(max)此時(shí),輸出電容COUT負(fù)責(zé)提供所有的負(fù)載電流,由于轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式,因此△IL是電感器電流的變化,在發(fā)生變化時(shí)變現(xiàn)為一個正斜率斜坡。當(dāng)初級接通時(shí),由于仍有電流一流在次級繞組中,因此存在階躍。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí),電流流過次級繞組和D1(在發(fā)生變化時(shí)變現(xiàn)為一個負(fù)斜率斜坡)從而對COUT進(jìn)行在充電并直接向負(fù)載提供應(yīng)電流。

根據(jù)上式,如果已知一個可接受的電流紋波△IL,則可計(jì)算踧踖電感,對于本設(shè)計(jì)△IL被設(shè)定為峰值初級電流的1/2。對于CCM反激設(shè)計(jì),峰值初級電流根據(jù)下式來計(jì)算:

 

 

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2012-05-30 09:48
@high-eff
根據(jù)上式,如果已知一個可接受的電流紋波△IL,則可計(jì)算踧踖電感,對于本設(shè)計(jì)△IL被設(shè)定為峰值初級電流的1/2。對于CCM反激設(shè)計(jì),峰值初級電流根據(jù)下式來計(jì)算:[圖片]  

用1/2(IPEAK)替代△IL,用10A替換IOUT(MAX)用0.48替代DMAX,并用5來替換N,可以計(jì)算出峰值初級電流為5.16A  △IL為2.58A,階躍波形上得斜坡的平方根(RMS)電流由

 

 來計(jì)算!

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2012-05-31 09:03
@high-eff
用1/2(IPEAK)替代△IL,用10A替換IOUT(MAX)用0.48替代DMAX,并用5來替換N,可以計(jì)算出峰值初級電流為5.16A △IL為2.58A,階躍波形上得斜坡的平方根(RMS)電流由 [圖片] 來計(jì)算!

 利用3式計(jì)算而得的LP約為80UH??紤]到成本因素和70KHZ的開關(guān)頻率,磁芯材料選擇啦PHILIPS提供的錳鋅鐵體3C85。由于僅在B-H平面的一個象限中驅(qū)動電感器(稱為反激式變壓器)故而在反激設(shè)計(jì)中需要一個較大的磁芯。因?yàn)樵撧D(zhuǎn)換器以一個相對較低的頻率工作于連續(xù)導(dǎo)通模式,所以最大峰值磁通密度BMAX受限于飽和磁通密度BSAT在全面考慮各種因素的情況下,由下式來準(zhǔn)確的計(jì)算出最小磁芯尺寸:

 

 

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20
2012-05-31 09:08
@high-eff
 利用3式計(jì)算而得的LP約為80UH??紤]到成本因素和70KHZ的開關(guān)頻率,磁芯材料選擇啦PHILIPS提供的錳鋅鐵體3C85。由于僅在B-H平面的一個象限中驅(qū)動電感器(稱為反激式變壓器)故而在反激設(shè)計(jì)中需要一個較大的磁芯。因?yàn)樵撧D(zhuǎn)換器以一個相對較低的頻率工作于連續(xù)導(dǎo)通模式,所以最大峰值磁通密度BMAX受限于飽和磁通密度BSAT在全面考慮各種因素的情況下,由下式來準(zhǔn)確的計(jì)算出最小磁芯尺寸:[圖片]  

式中AP+磁芯面積乘積(單位:CM4)

K=繞組因數(shù),對于連續(xù)模式反激結(jié)構(gòu)等于0.2

Bmax≈Bsat,即0.33特斯拉(對于3C85材料,在100℃時(shí))

 

 

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2012-05-31 09:21
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式中AP+磁芯面積乘積(單位:CM4)K=繞組因數(shù),對于連續(xù)模式反激結(jié)構(gòu)等于0.2Bmax≈Bsat,即0.33特斯拉(對于3C85材料,在100℃時(shí))  

 最小初級匝數(shù)由下式?jīng)Q定:

 

根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及預(yù)訂的匝數(shù)比,即可確定次級匝數(shù),當(dāng)匝數(shù)比為5而NP等于20時(shí),NS的計(jì)算值為4.

存儲于反激變壓器中的能量實(shí)際上存儲在磁芯的空氣隙中。這是因?yàn)殍F氧體材料的高磁導(dǎo)率注定了它沒能存儲大量的能量就發(fā)生飽和了,通過增加氣隙,實(shí)際上將使磁性材料的磁滯曲線傾斜,從而需要高很多的磁場強(qiáng)度來使磁芯飽和,氣隙的尺寸采用下式來計(jì)算:

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22
2012-05-31 09:32
@high-eff
 最小初級匝數(shù)由下式?jīng)Q定:[圖片] 根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及預(yù)訂的匝數(shù)比,即可確定次級匝數(shù),當(dāng)匝數(shù)比為5而NP等于20時(shí),NS的計(jì)算值為4.存儲于反激變壓器中的能量實(shí)際上存儲在磁芯的空氣隙中。這是因?yàn)殍F氧體材料的高磁導(dǎo)率注定了它沒能存儲大量的能量就發(fā)生飽和了,通過增加氣隙,實(shí)際上將使磁性材料的磁滯曲線傾斜,從而需要高很多的磁場強(qiáng)度來使磁芯飽和,氣隙的尺寸采用下式來計(jì)算:[圖片]

 上式中,氣隙是以厘米為單位,UO磁導(dǎo)率(等于4∏*10^-7H/M),UR是填氣隙材料的相對磁導(dǎo)率(在本設(shè)計(jì)中,填隙材料是空氣,故UR等于1),該氣隙的此存的計(jì)算值為0.043CM并且均勻的分布在EFD30磁芯的中心柱和兩個側(cè)柱之間。

初級繞組的兩股并聯(lián)的21AWG磁導(dǎo)線,第一層靠近磁芯卷繞,第二層則纏繞在次級繞組之上。次級繞組由4股并聯(lián)的18AWG磁導(dǎo)線組成,并填充一層以實(shí)現(xiàn)最大耦合。

當(dāng)采用80μH的初級電感和48%的最大占空比時(shí),意味著轉(zhuǎn)
換器將不會在整個工作范圍內(nèi)都處于連續(xù)模式控制,這是由
于 (9) 式所表示的關(guān)系所致。

 


 

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