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开关电源系统电源提高效率设计技巧及方法!
文章来源:永阜康科技 更新时间:2018/12/27 12:46:00

导读: 如果使用非常廉价的电感和电容(具有较高电阻),将会导致损耗明显增大。同时在选择开关电源IC 时,需要考虑控制器的架构和内部器件;也可以获得高的效率设计!

我以FLY的设计参考进行设计技巧和分析;能量转换系统必定存在能耗,虽然实际应用中无法获得100%的转换效率,但是,一个高质量的电源效率可以达到非常高的水平,开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET 和二极管)和开关变压器,另外小部分损耗来自电感和电容。但是,如果使用非常廉价的电感和电容(具有较高电阻),将会导致损耗明显增大。同时在选择开关电源IC 时,需要考虑控制器的架构和内部器件;也可以获得高的效率设计!

1.FLY的系统参考设计图:

2.电源的功率损耗的注意器件及分布位置预算分析

A.效率影响最大的是:开关IC的控制,开关变压器,吸收电路,开关MOS管;输出整流二极管

B.不同的开关电源系统其工作拓扑结构

C.可靠性带来的功能及检测电路器件

3.从上面的1-9位置器件分析开关电源的主要损耗来源;

①设计功率大于(>)10W时最大的损耗为开关变压器损耗。(恒流/恒压模式估计会有≥0.58W功率差异-跟电路的检测方式有关!)

②设计功率小于(<)10W时最大的损耗为开关芯片及开关MOS器件

③损耗的另一主要来源输出部分的整流设计(肖特基优于快速恢复优于超快速恢复)

④开关芯片的设计选择和MOS选择的设计(注意对于采用IC集成MOS参数和控制系统动作参数设计,目前PI公司技术相对会有优势)

⑤电源的稳压及调整率控制的假负载系统设计

4.>10W开关电源系统通过变压器的设计来提高电源效率的指导(从以下几个方面优化)

①选择适当的变压器磁芯大小,以满足空间要求下。

②优化选择最少的变压器次级设计圈数。

并且要求:

⑴设计最大的磁通量越接近要求的限值3100GS恒流(或3000GS恒压)

⑵满足磁芯损耗P铜损≥PCORE(BM)≥P阻

③使KP尽可能的低(恒流设计的正常范围KP可在0.5-1之间)如果对功率因素有要求时满足230VAC时要求大于0.9时KP在极限情况下不能超过1(这时系统始终工作在连续模式条件下。)从而减少开关损耗,有较低的铜损/电阻损耗

请参考《FLY反激变换器的关键参数VRO&KRP工作模式分析》

④在线圈之间增加绝缘胶带。

⑤变压器采用三明治绕法(拆分初级为两部分):减少漏感

⑥可以使用大一等级型号的磁芯(增加Ae参数):成本和空间允许的情况下

⑦变压器具体参数技巧:

⑴变压器的次级设计尽可能少的圈数

⑵减少BAC(交流磁通量摆幅)----减少变压器铜损和铁芯损耗。

⑶优化磁芯,BM.减少铜损比提高BM增加磁芯损耗更好!

5.开关电源系统的效率还跟使用的架构有很大的关系

比如降压型DC-DC/BUCK转换器图中标示了各点(1-6处)的开关波形,通过波形数据也可进行理论和实际的分析

器件的问题原理基本与FLY都相同;关键点BUCK电感!

对于上面这种非隔离BUCK电路的效率优化方法-电感问题显得更为重要!!

①设计电感让其工作在CCM(电流连续)工作模式(峰值电流小)-减少开关损耗,铜损和电阻损耗

②线圈之间加绝缘胶带----减少内部绕组的分布电容。

③应用大一个等级型号的磁芯(增加Ae)在成本和空间许可条件下。

电感参数的具体参数设计技巧:

⑴设计尽可能少的绕组圈数

⑵减少BAC(交流磁通摆幅)----减少铜损和铁芯损耗。

6.开关电源系统中看来变压器电感的设计在功率达到一定的量时其损耗变得相对重要!变压器设计的具体参数变化的效率对比

变压器KP(△I/IP)的设计大小对效率的影响:

变压器磁芯大小对效率的影响。

磁芯越大(Ae值越大)效率越高

设计变压器KP值越小,电源效率越高。

如下对比参考:将我做的小功率电源90V-265VAC/15V-0.3A的小功率电源进行分析比较:提供一些数据参考

Core效率100VAC效率240VACLPKpISrms(A)BAC(G)NPNSEE16(AE:0.19)71.40%77.40%2.7mH10.621522148T#3628T#29RM6(AE:0.31)71.60%77.80%2.7mH10.62943148T#3628T#29RM6(AE:0.31)72.60%78.60%2.7mH0.80.571209122T#3623T#29

变压器次级绕组圈数对变压器效率的影响

次级绕组圈数在不超过3100GS的磁通密度条件下,次级圈数越少效率越高

如下对比参考:将我做的电源90V-265VAC/24V-0.33A电源进行分析比较:提供一些数据参考

Core效率100VAC效率240VACLPKpISrms(A)BAC(G)NPNSRM6(AE:0.31)79.60%83.60%2.45mH0.80.721122128T#3422T#28RM6(AE:0.31)81.60%83.60%2.95mH0.80.691476105T#3418T#28

7.同上我再对效率较高的BUCK电路中的BUCK电感设计分析对效率的影响

电感的铁芯尺寸和电感线圈的圈数(电感量)对效率的影响如下图:

⑴铁芯越大电源的效率越大

⑵电感的感量小则电源的效率增大

⑶每层绕组间加绝缘胶带较少分布电容提高效率

如下对比参考:将我做的高压BUCK电源90V-265VAC/36V-0.33A电源进行分析比较:提供一些数据参考

Core效率100VAC效率240VACLPKpIp(A)BAC(G)NPEE16(AE:0.19)88.40%87.40%0.68mH0.660.922940130T#29RM6(AE:0.31)88.40%87.80%0.68mH0.660.921830112T#29RM6(AE:0.31)88.60%87.30%1.2mH0.440.822712112T#29

8.变压器及电感的对设计效率的总结:

A.反激变压器

⑴选择合适的铁芯尺寸。

⑵设计最少得次级变压器圈数

⑶设计参考的KP值0.6-1

⑷变压器绕组之间加绝缘胶带(组与组,层与层之间)

⑸变压器的三明治绕法

⑹用大一等级型号的变压器(增大Ae值)设计

B.BUCK电路中BUCK电感的设计

⑴绕组的层间加绝缘胶带。

⑵在条件许可条件下用大的磁芯(增大Ae值)设计

9.开关电源系统的效率优化设计技巧

A.EMI的滤波电感的消耗功率。设计要求可做到60mW以下。

B.输入整流桥电路的二极管设计。

C.电源RCD吸收电路设计

D.电源电路假负载电路设计。

E.优化IC外围电路设计。

F.变压器系统设计

H.输出整流系统设计。

I.输出电容得选择和设计

注意:

一般来说,不同类型电介质的电容具有不同的ESR 等级。对于特定的容量和额定电压,铝电解电容和钽电容就比陶瓷电容具有更高的ESR 值。聚酯和聚丙烯电容的ESR 值介于它们之间,但这些电容尺寸较大,开关电源中很少使用。

对于给定类型的电容,较大容量、较低的fS 能够提供较低的ESR。大尺寸电容通常也会降低ESR,但电解电容会带来较大的等效串联电感。陶瓷电容被视为比较好的折中选择,此外,电容值一定的条件下,较低的电容额定电压也有助于减小ESR!

 
 
 
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