基于FPS的離線反激式轉(zhuǎn)換器的分步設(shè)計(jì)

本應(yīng)用筆記介紹了使用飛兆半導(dǎo)體電源開(kāi)關(guān)（FPS）的離線反激式轉(zhuǎn)換器的分步設(shè)計(jì)程序和指南。使用包含本文中使用的所有方程式的FPSdesign輔助軟件，可以使設(shè)計(jì)過(guò)程更加高效。通過(guò)構(gòu)建和測(cè)試的轉(zhuǎn)換器原型驗(yàn)證了設(shè)計(jì)過(guò)程的有效性。

介紹

圖1顯示了使用FPS的基本離線反激轉(zhuǎn)換器的原理圖，該轉(zhuǎn)換器還用作本文描述的設(shè)計(jì)過(guò)程的參考電路。由于MOSFET和PWM控制器以及各種附加電路都集成在一個(gè)封裝中，因此SMPS的設(shè)計(jì)比分立MOSFET和PWM控制器解決方案容易得多。本文提供了基于FPS的離線反激式轉(zhuǎn)換器的分步設(shè)計(jì)過(guò)程，其中包括設(shè)計(jì)變壓器和輸出濾波器，選擇組件并閉合反饋環(huán)路。本文描述的設(shè)計(jì)過(guò)程足夠通用，可以應(yīng)用于各種應(yīng)用。本文介紹的設(shè)計(jì)過(guò)程也可通過(guò)軟件設(shè)計(jì)工具（FPS設(shè)計(jì)助手）實(shí)現(xiàn)，以使工程師能夠在短時(shí)間內(nèi)完成SMPS設(shè)計(jì)。在附錄中，提供了使用軟件工具的分步設(shè)計(jì)示例。設(shè)計(jì)實(shí)例中的實(shí)驗(yàn)反激轉(zhuǎn)換器已經(jīng)構(gòu)建并經(jīng)過(guò)測(cè)試，以證明設(shè)計(jì)過(guò)程的有效性。

使用FPS的基本離線反激轉(zhuǎn)換器

分步設(shè)計(jì)程序

在本節(jié)中，將使用圖1的示意圖作為參考來(lái)介紹設(shè)計(jì)過(guò)程。通常，大多數(shù)FPS器件從引腳1到引腳4具有相同的引腳配置，如圖1所示。詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

1.步驟1：定義系統(tǒng)規(guī)格。

線電壓范圍（Vline（最小值）和Vline（最大值））。

線路頻率（fL）。

最大輸出功率（Po）。

估計(jì)效率（Eff）：需要估計(jì)功率轉(zhuǎn)換效率以計(jì)算最大輸入功率。如果沒(méi)有參考數(shù)據(jù)，則對(duì)于低壓輸出應(yīng)用，將Eff = 0.7?0.75設(shè)置；對(duì)于高壓輸出應(yīng)用，將Eff = 0.8?0.85設(shè)置

2.步驟2：確定直流母線電容器（CDC）和直流母線電壓范圍。

對(duì)于通用輸入范圍（85-265 Vrms），通常將直流鏈路電容器選擇為每瓦輸入功率2-3uF，對(duì)于歐洲輸入范圍（195 V-265 Vrms），選擇每瓦輸入功率1 uF。

直流母線電壓波形。

3.步驟3：確定最大占空比（Dmax）。
反激轉(zhuǎn)換器具有兩種工作模式：連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）和不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）。CCM和DCM分別具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。通常，DCM為整流二極管提供了更好的開(kāi)關(guān)條件，因?yàn)檫@些二極管正好在變?yōu)榉聪蚱弥熬鸵粤?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流工作。使用DCM可以減小變壓器的尺寸，因?yàn)榕cCCM相比，其平均能量存儲(chǔ)量較低。但是，DCM會(huì)固有地導(dǎo)致高RMS電流，這會(huì)增加MOSFET的傳導(dǎo)損耗和輸出電容器上的電流應(yīng)力。因此，通常建議將DCM用于高壓和小電流輸出應(yīng)用。同時(shí)，CCM是低壓和大電流輸出應(yīng)用的首選。

DCM反激式轉(zhuǎn)換器的電流波形。

對(duì)于CCM反激式轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)過(guò)程很簡(jiǎn)單，因?yàn)檩斎胫凛敵鲭妷涸鲆鎯H取決于占空比。同時(shí)，DCM反激式轉(zhuǎn)換器的輸入至輸出電壓增益不僅取決于占空比，還取決于負(fù)載條件，這使電路設(shè)計(jì)有些復(fù)雜。但是，通常公認(rèn)的是，DCM反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為以最小輸入電壓和最大負(fù)載在DCM和CCM的邊界工作，如圖3所示。這使MOSFET的導(dǎo)通損耗最小。因此，在這種情況下，我們可以使用與CCM反激式轉(zhuǎn)換器相同的電壓增益公式，以最大的負(fù)載和最小的輸入電壓

輸出電壓反射到初級(jí)。

4.步驟4：確定變壓器的初級(jí)側(cè)電感（Lm）。

隨著負(fù)載條件和輸入電壓的變化，操作會(huì)在CCM和DCM之間變化。對(duì)于這兩種工作模式，設(shè)計(jì)變壓器一次側(cè)電感（Lm）的最壞情況是滿負(fù)載和最小輸入電壓條件。

5.步驟5：考慮輸入功率和峰值漏極電流，選擇適當(dāng)?shù)腇PS。

利用由此產(chǎn)生的MOSFET的最大峰值漏極電流（Ids（peak）），選擇適當(dāng)?shù)腇PS，其逐脈沖電流限制水平I（over）高于Ids（peak）。由于FPS的I（over）公差為±12％，因此在選擇合適的FPS器件時(shí)應(yīng)留有余地。軟件設(shè)計(jì)工具中還包括具有合適額定功率的FPS系列

6.步驟6：確定正確的磁芯和最小的初級(jí)匝數(shù)。

實(shí)際上，由于變量太多，最初選擇核必定是粗略的。選擇合適的磁芯的一種方法是參考制造商的磁芯選擇指南。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)膮⒖?，?qǐng)使用表1作為起點(diǎn)。表1中推薦的內(nèi)核典型用于通用輸入范圍，67 kHz開(kāi)關(guān)頻率和單輸出應(yīng)用。當(dāng)輸入電壓范圍為195-265 Vac或開(kāi)關(guān)頻率高于67kHz時(shí)，可以使用較小的磁芯。對(duì)于具有多個(gè)輸出的應(yīng)用，通常應(yīng)使用比表中建議的更大的內(nèi)核。

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