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Entwurfsmetriken auswerten
1. Eingangsparameter: Größe der Eingangsspannung, AC oder DC, Anzahl der Phasen, Frequenz, usw.
Zu den internationalen Spannungsniveaus gehören einphasig 120Vac, 220Vac, 230Vac, usw. Der international akzeptierte Wechselspannungsbereich liegt bei 85~265V. Im Allgemeinen umfasst dies die Eingangsspannung und ihren Variationsbereich;
Einphasige Eingänge werden häufig für Leistungen unter 3 kW und dreiphasige Eingänge für Leistungen über 5 kW verwendet;
Die Netzfrequenz in der Industrie beträgt im Allgemeinen 50 Hz oder 60 Hz, in der Luft- und Raumfahrt sowie auf Schiffen 400 Hz.
ob es Indikatoren für Leistungsfaktor (Power Factor) und Oberschwingungen (Total Harmonics Distortion) gibt
2. Ausgangsparameter: Ausgangsleistung, Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, Welligkeit, Genauigkeit der Spannungsstabilisierung (Dauerstrom), Anpassungsrate, dynamische Eigenschaften (Einschwingzeit: Einschwingzeit), Anlaufzeit und Haltezeit der Stromversorgung.
Ausgangsspannung: Nennwert + Einstellbereich. Die Obergrenze der Ausgangsspannung sollte so nahe wie möglich am Nennwert liegen, um eine unnötig große Auslegungsmarge zu vermeiden.
Ausgangsstrom: Nennwert + Überlastvielfaches. Wenn ein stetiger Strom erforderlich ist, wird auch der Einstellbereich angegeben. Einige Stromversorgungen erlauben keinen Leerlauf, daher sollte auch eine untere Stromgrenze angegeben werden.
Genauigkeit der Spannungs- und Stromstabilisierung: Zu den Einflussfaktoren gehören die Regelungsrate der Eingangsspannung, die Lastregelungsrate und die Alterungsabweichung. Die Genauigkeit der Referenzquelle, die Genauigkeit der Erkennungskomponenten und die Genauigkeit des Operationsverstärkers im Regelkreis haben einen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Spannungs- und Stromstabilisierung.
3. Wirkungsgrad: das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangs-Wirkleistung bei Nenneingangsspannung, Nennausgangsspannung und Nennausgangsstrom.
Verluste: Verluste, die eng mit der Schaltfrequenz zusammenhängen: Schaltverluste der Schaltgeräte, Eisenverluste der magnetischen Komponenten, Verluste der Absorptionskreise.
Pass-State-Verluste im Stromkreis: Pass-State-Verluste von Schaltgeräten, Kupferverluste von magnetischen Komponenten, Leitungsverluste. Diese Verluste hängen vom Strom ab.
Sonstige Verluste: Verluste im Steuerkreis, Verluste im Antriebskreis usw. Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad eines Netzteils mit einer höheren Ausgangsspannung höher als der eines Netzteils mit einer niedrigeren Ausgangsspannung. Der Wirkungsgrad von Netzteilen mit hoher Ausgangsspannung kann 90% bis 95% erreichen. Der Wirkungsgrad von Schaltungen mit hoher Leistung kann höher sein als der von Schaltungen mit niedriger Leistung.
4. Spannungsregelungsrate und Lastregelungsrate
Regelungsrate der Spannung (Quelle): Die Regelungsrate der Stromversorgung basiert normalerweise auf der Abweichungsrate der Ausgangsspannung, die durch Änderungen der Eingangsspannung unter Nennlastbedingungen verursacht wird. Wie in der folgenden Formel dargestellt: Vo(max)-Vo(min) / Vo(normal), oder die Abweichung der Ausgangsspannung muss innerhalb der angegebenen Ober- und Untergrenzen liegen, d. h. innerhalb des absoluten Werts der Ober- und Untergrenzen der Ausgangsspannung.
Lastregelung: Die Definition der Lastregelung ist die Fähigkeit eines Schaltnetzteils, eine stabile Ausgangsspannung zu liefern, wenn sich der Ausgangslaststrom ändert. Oder wenn sich der Ausgangslaststrom ändert, darf die Abweichung der Ausgangsspannung den oberen und unteren absoluten Wert nicht überschreiten.
Prüfverfahren: Nachdem das zu prüfende Netzteil die Wärmekraftmaschine unter normalen Eingangsspannungs- und Lastbedingungen stabilisiert hat, messen Sie den Ausgangsspannungswert unter normaler Last und dann den Ausgangsspannungswert unter leichter Last (Min) bzw. schwerer Last (Max) (jeweils Vmax und Vmin). Die Lastregelungsrate ist in der Regel der Prozentsatz der Ausgangsspannungsabweichungsrate, die durch Änderungen des Laststroms unter einer normalen festen Eingangsspannung verursacht wird, wie in der folgenden Formel dargestellt: V0(max)-V0(min) / V0(normal)
5. Dynamische Eigenschaften: Änderungen der Ausgangsspannung bei plötzlichen Laständerungen
Das Schaltnetzteil gewährleistet die Stabilität seiner Ausgangsspannung durch einen Rückkopplungsregelkreis. Der Rückkopplungsregelkreis hat eine bestimmte Bandbreite, die die Reaktion des Netzteils auf Änderungen des Laststroms begrenzt, was dazu führen kann, dass das Schaltnetzteil instabil wird, außer Kontrolle gerät oder oszilliert. Tatsächlich ändert sich der Laststrom des Netzteils dynamisch, wenn es in Betrieb ist, so dass dynamische Lasttests für das Netzteil äußerst wichtig sind.
Programmierbare elektronische Lasten können verwendet werden, um die schlimmsten Lastbedingungen zu simulieren, wenn das Netzteil tatsächlich arbeitet, wie z. B. den schnellen Anstieg und Abfall des Laststroms, die Steigung und den Zyklus. Wenn das Netzteil unter schweren Lastbedingungen arbeitet, kann es dennoch eine stabile Ausgangsspannung aufrechterhalten. Vermeiden Sie Über- und Unterschwingungen, da sonst die Ausgangsspannung des Netzteils die Lastkomponente überschreitet (z. B. sollte die momentane Ausgangsspannung eines TTL-Schaltkreises zwischen 4,75 V und 5,25 V liegen, um eine Fehlfunktion des TTL-Logikschaltkreises zu vermeiden).
6. Einschaltzeit (Set-Up Time) und Überbrückungszeit (Hold-Up Time)
Anlaufzeit: bezieht sich auf die Zeit vom Anschluss des Netzteils an den Eingang bis zum Ansteigen der Ausgangsspannung in den geregelten Bereich. Bei einem Netzteil mit einem Ausgang von 5 V beträgt die Anlaufzeit vom Einschalten des Netzteils bis zum Erreichen einer Ausgangsspannung von 4,75 V. bis zum Zeitpunkt.
Haltezeit: Die Zeit vom Abschalten der Eingangsleistung bis zum Absinken der Ausgangsspannung außerhalb des geregelten Bereichs. Bei einer Stromversorgung mit einem Ausgang von 5 V ist die Haltezeit beispielsweise die Zeit vom Abschalten der Stromversorgung bis zum Absinken der Ausgangsspannung unter 4,75 V. Die Haltezeit beträgt in der Regel 10-20 ms, um zu vermeiden, dass der Betrieb der Last durch eine kurzfristige Spannungsunterbrechung (ein halber oder ein Netzspannungszyklus) in der Stromversorgung des Energieversorgungsunternehmens beeinträchtigt wird.
7. Kreuzanpassungsrate der Mehrkanal-Ausgangsstromversorgung:
Beim Multi-Output muss auch die Cross-Adjustment-Rate (Cross Regulation) berücksichtigt werden.
Wie hoch ist der Satz für die gegenseitige Anpassung?
Wenn sich die Last an einem Ausgang ändert, ändert sich auch der Bereich der anderen Ausgangsspannung.
Konventionelle Methoden zur Verbesserung der Queranpassungsrate: Nachjustierung
Wie zum Beispiel: Mehrkanal-Ausgang mit geringer Leistung Flyback
Eingangsspannungsbereich............90～264VAC, 120-370VDC
Eingangsstrom......................2.0A/115V 1.1A/230V, Eingangsfrequenz: 47～63HZ
Einschaltstrom............. Kaltstartstrom 20A/115V 40A/230V
Ableitstrom................< 2mA/240VAC
Einstellbereich der Ausgangsspannung..........CH1: -5～+10%
Spannungsregelungsrate............CH1: < 1%, CH2: < 1%
Lastregelungsrate......CH1: < 3%, CH2/3: < 4-8%
Überlastschutz............105%～150% Schutzart: Strombegrenzung, automatische Erholung
Überspannungsschutz............115-135%CH1 Nennausgangsspannung
Temperaturkoeffizient............±0.03%℃(0～50℃)
Start-, Anstiegs-, Haltezeit...800ms, 60ms, 20ms
Schockfestigkeit............10～500Hz, 2G, drei Achsen 10min./1 Zyklus, 1 Stunde pro Achse
Druckfestigkeit......................Eingang-Ausgang: 3KVAC, Eingang-Gehäuse: 1,5KVAC,
Ausgang-Schutzart: 0,5KVAC 1 Minute
Isolationswiderstand............Eingang-Ausgang, Eingang-Masse, Ausgang-Masse 500VDC/100M Ohms
Arbeitstemperatur und Luftfeuchtigkeit......-10℃～+60℃, 20%～90%RH (0-45℃/100%, -10℃/80%, 60℃/60 % LOAD)
Lagertemperatur und Luftfeuchtigkeit......-20℃～+85℃, 10%～95RH
Gesamtabmessungen............199*99*50mm CASE 916A
Gewicht............0.6kg; 20Stück/13kg/1.17CUFT
Sicherheitsstandards......................Erfüllen die Anforderungen von UL1310 und TUV EN60950
EMC/Harmonische Normen............Meet
EN55022 Klasse B/A,EN61000-3-2,3
EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11,ENV50204
2. Wählen Sie die geeignete Hauptstromkreistopologie (AC-DC)
Grundprinzipien: Leistungsniveau, Kosten, Effizienz, Größe
Wenn die Leistung unter 75 Watt liegt, gibt es im Allgemeinen keine Beschränkungen für Oberschwingungen auf der Eingangsseite. Daher wird eine Flyback-Schaltung mit einfacher Schaltung und niedrigen Kosten gewählt. In Japan ist die Leistung auf unter 50 W begrenzt. Die Anforderungen an die Beleuchtung sind mit 25 W höher.
Die allgemeinen Anforderungen an die Stromversorgung für Stromkreise mit einer Leistung von mehr als 75 Watt entsprechen der Oberschwingungsrichtlinie IEC61000-3-2. Eine Leistungsfaktorkorrektur ist in der Regel erforderlich, daher wird meist eine zweistufige Lösung verwendet. Boost PFC+Flyback; <100W, Boost PFC+Halbbrücke 100W< <500W
Für höhere Leistungen (über 500 Watt) kann eine Halb- oder Vollbrücke verwendet werden. Bei strengen Kostenanforderungen sollte man sich für die Halbbrücke entscheiden, bei hoher Leistung für die Vollbrücke. Gegentaktschaltungen werden in der Regel in Situationen verwendet, in denen die Leistung relativ hoch und die Eingangsspannung sehr niedrig ist.
Im Allgemeinen ist bei einer Leistung von weniger als 20 W der Anteil der Einschaltverluste gering (der Strom ist gering), da die Verluste der Stromversorgung hauptsächlich aus magnetischen Komponenten, Schaltern und Antriebsverlusten bestehen, so dass eine Lösung mit einer einfachen Schaltungstopologie gewählt wird. Wie z.B. DCM Flyback.
Wenn es sich bei den Verlusten der Stromversorgung hauptsächlich um Pass-State-Verluste handelt (hohe Leistung oder niedrige Spannung und hoher Strom), muss eine Lösung in Betracht gezogen werden, die die Pass-State-Verluste verringern kann. Zum Beispiel: Synchrongleichrichtung, mehrstufige Umwandlung, Parallelschaltung, Hybridtopologie usw.
3. Bauteilgestaltung
Beispiel: Welche Komponenten in der Hauptschaltung des Flyback müssen von uns entworfen werden?
① Berechnen Sie die Betriebsparameter der Schaltung. Eingangs- und Ausgangsspannung
② Betriebsparameter. Schaltfrequenz, maximale Einschaltdauer
③ Transformator.
④ Schaltrohr - Spannung, Strom
⑤ Sekundärseitige Diode - Spannung, Strom
⑥ Ausgangsfilterkondensator
⑦ Absorptionsschaltung
Konstruktionsschritte
(1) Bestimmen Sie den Spannungsschwankungsbereich des Eingangs-Zwischenkreises:
1) Bereich ändert sich mit der Eingabe
2) Spannungsänderungen innerhalb jedes Netzfrequenzzyklus
(2) Bemessungsschaltfrequenz fs, maximales Tastverhältnis Dmax=0,45
- Schaltfrequenz nach Bedarf einstellen
- Ausgehend von der Eingangsleistung und unter der Annahme der niedrigsten Spannung und des maximalen Tastverhältnisses, also der kritischen Kontinuität, ist der Spitzenstrom der Induktivität zu bestimmen
Pinmax＝Pomax/Wirkungsgrad
Iavgmax=Pinmax/VDCmin
Ispitzenwert=2*Iavgmax/D
(3) Entwurf eines Zeilentransformators
- Bestimmen Sie die Primärinduktivität auf der Grundlage des maximalen Spitzenstroms
Pinmax＝0,5*Lm*Ipeak2*fs
- Wählen Sie auf der Grundlage von Erfahrungswerten die Kerngröße und berechnen Sie die Anzahl der Primärwindungen.
Np＝（Lm*Ipeak)/(Ae*Bmax)
Ae ist die Kernquerschnittsfläche; Bmax ist die ausgelegte maximale magnetische Flussdichte.
- Entwerfen Sie den Luftspalt auf der Grundlage der Induktivität und der Anzahl der Windungen.
- Wählen Sie das geeignete Windungsverhältnis auf der Grundlage der Nennspannung des Primärschalters. Um eine bessere sekundärseitige Querregelung zu erreichen, ist es manchmal notwendig, die Anzahl der Windungen auf der Primärseite des Transformators anzupassen.
Beispiel: Sekundärseite Vo1: Vo2=5:3
Vorläufige Berechnungen zeigen: Ns1=3, Ns2=1,8; wenn Ns2 2 Umdrehungen braucht, kann die Anpassungsrate schlecht sein. Ändern Sie daher die Anzahl der sekundären Umdrehungen, Ns1=5, Ns2=3.
(4) Auswahl der Schaltröhre: Leistungs-MOSFET
Belastung durch Schaltspannung:
Ein Beispiel: Wenn ein 650-V-MOSFET auf der Primärseite gewählt wird, sollte die Spannungsbelastung der Schaltröhre auf der Primärseite 600 V nicht überschreiten.
Berechnen Sie also die maximale Spannung: Vpmax=VDCmax+(Vo+Vdrop)*Np/Ns+60V
Strombelastung der Schaltröhre:
Berechnen Sie den maximalen Strom auf der Primärseite des Transformators
Normalerweise: Vo*Np/Ns<140V;
Berücksichtigen Sie einen Kompromiss zwischen der Belastung der primären Schaltröhre, der Spannungsbelastung der sekundären Diode und dem maximalen Tastverhältnis.
(5) Auswahl der sekundärseitigen Diode:
- Schnelle Erholungsdiode
- Berechnen Sie die Stehspannung der Diode
VD＝(Vdcmax*Ns/Np+Vo)*1,3
(6) Auswahl des Ausgangsfilterkondensators:
Wählen Sie Elektrolytkondensatoren auf der Grundlage der Strom-/Spannungsbelastung und der Welligkeitsanforderungen aus.
(7) RCD-Absorptionsschaltung
Betrachten Sie die Problempunkte:
1) Absorptionseffekt
2) Der Verlust wird wahrscheinlich gering sein
Kompromiss zwischen Absorptionseffekt und Verlust!
Dasselbe Konstruktionsprinzip gilt nicht nur für FLYback, sondern auch für alle Absorptionskreise mit R.
Methode zur Verlustschätzung:
1) Psnuber=Vc2/R
Wenn der MOSFET ausgeschaltet ist und Vds die Spannung VSN am Kondensator in der RCD-Snubber-Schaltung überschreitet, wird die Snubber-Diode eingeschaltet. Der Spitzenstrom wird von der RCD-Schaltung absorbiert, wodurch der Spitzenstrom reduziert wird. Der Snubber-Kondensator muss groß genug sein, um sicherzustellen, dass sich die Spannung über dem Kondensator während des Zyklus nicht wesentlich ändert. Wenn die Absorptionskapazität jedoch zu groß ist, erhöht sich auch der Verlust der Pufferschaltung. Es muss ein Kompromiss gefunden werden.
Die von der Absorptionsschaltung verbrauchte Leistung kann mit der folgenden Formel berechnet werden. Nehmen Sie dann einen Leistungswiderstand mit einem Widerstand von 3 W, und seine Widerstands- und Kapazitätswerte können von der Software wie folgt berechnet werden
4. Andere Modi des Flyback-Designs
CCM/DCM Flyback-Entwurf
Wenn die Leistung größer ist, z. B. 65 W. Um den Niederdruck zu reduzieren
Der Leitungsverlust am Eingang bewirkt, dass das Gerät bei niedriger Eingangsspannung in den CCM-Modus übergeht. Wenn eine hohe Spannung anliegt, wird der DCM-Modus aktiviert.
Die Konstruktionsschritte sind die gleichen wie beim DCM-Modell, aber die Konstruktionsformel ist anders.
- Die Formel für die Berechnung der Primärinduktivität ist anders
- Die Formel zur Berechnung des Umdrehungsverhältnisses ist unterschiedlich
- Berechnen Sie die unterschiedlichen Spannungs- und Strombelastungen von Schaltröhren
- Berechnung der Diodenspannungs- und Stromspannungsdifferenzen
- Berechnete Ausgangswelligkeit ist unterschiedlich Boundary CM Flyback
Innerhalb des variierenden Bereichs der Busspannung ist der Modus entscheidend. (Frequenzumwandlung) Die gleichen Schritte und Methodenmuster wie beim DCM-Design.
BCM/DCM-Vorteile:
1) Der Einschaltverlust der Primärschaltröhre ist gering.
2) Der Sperrstrom der sekundärseitigen Diode ist gering.
3) Das Gleichtaktrauschen durch Reverse Recovery ist gering
4) Die Spannungsbelastung der Diode ist gering, daher sollten Geräte mit niedriger Spannung gewählt werden.
Nachteile des BCM-Modells:
1) Der Leitungsverlust der primären Schaltröhre ist groß.
2) Die Frequenz ändert sich, der Differentialmode-Filter muss für die niedrigste Frequenz ausgelegt werden. Gleichtaktfilter sollten für höhere Frequenzen ausgelegt werden.
Zwei Bedingungen sorgen dafür, dass die oben genannten Mängel nicht mehr ins Gewicht fallen:
1) Mit der Verbesserung der MOSFET-Bauelemente wird der Rdson-Wert immer kleiner. Verringern Sie den Anteil der primären Leitungsverluste am Gesamtverlust.
2) Das BCM reduziert den Gleichtakt, der durch die Rückwärtserholung der Diode auf der Sekundärseite verursacht wird.
5. Thermische Auslegung
Das Schaltrohr benötigt in der Regel einen Kühler, und zwischen Kühler und Schaltrohr sollte eine isolierende Dichtung und wärmeableitendes Silikon angebracht werden.
Bei der Konstruktion von Hochleistungs-Schaltnetzteilen werden in der Regel Lüfter zur forcierten Luftkühlung eingesetzt.
6. Verkabelungsdesign und EMI
Die Pins der einzelnen Komponenten, insbesondere des Kondensators, sollten so kurz wie möglich sein, da der Kondensator sonst eine schlechte Absorptionswirkung auf hohe Frequenzen hat;
Verbindungsdrähte, durch die große Ströme fließen, sollten dick oder kurz sein;
Versuchen Sie, keine große Schleife zu bilden, da sonst die Störungen zu groß werden und die Fehlersuche beeinträchtigen.
Die Verdrahtung des Steuerstromkreises sollte von der Verdrahtung des Stromkreises getrennt sein.
Der Steuerchip und der Transformator müssen mit Sitzen installiert werden, um die Demontage zu erleichtern. Achten Sie bei der Verdrahtung auf die Wärmeableitung und die Bequemlichkeit beim Testen. Sie ist sauber und aufgeräumt, und jedes Funktionsmodul ist klar erkennbar.
