逆向開發(fā)開關(guān)直流電源的過程演示
2017-6-11 11:45:37??????點(diǎn)擊：
原帖自述
逆向思維設(shè)計(jì)開關(guān)直流電源，采用與一般教科書相反的設(shè)計(jì)思路，重要的是思想。
模塊化設(shè)計(jì)開關(guān)直流電源，全方位精確計(jì)算主直流電源電路設(shè)計(jì)模塊、控制直流電源電路設(shè)計(jì)模塊、環(huán)路模塊、EMI模塊。
以反激為例，采用mathcad軟件全面精確計(jì)算，如何最優(yōu)化設(shè)計(jì)之？
你是喜歡花較多時間坐在電腦前設(shè)計(jì)開關(guān)直流電源參數(shù)，然后僅僅花少量時間坐在實(shí)驗(yàn)桌前調(diào)試開關(guān)直流電源？
還是喜歡反之？
相信更多人喜歡前者，我也是如此。
其實(shí)90%的直流電源設(shè)計(jì)都可以在電腦前完成，而在實(shí)驗(yàn)桌前需要完成的只是僅占10%的直流電源設(shè)計(jì)。
接下來將以一款反激直流電源為例，揭示如果精確計(jì)算開關(guān)直流電源的每一個器件參數(shù)，以及如何最優(yōu)化設(shè)計(jì)開關(guān)直流電源。
將要設(shè)計(jì)的直流電源指標(biāo)為：
輸入：交流90-264V，50Hz
輸出：24V3.5A，8V1.2A
以下分別計(jì)算主直流電源電路設(shè)計(jì)、控制直流電源電路設(shè)計(jì)、環(huán)路、EMI，以確定所有器件參數(shù)。
首先計(jì)算主直流電源電路設(shè)計(jì)參數(shù)：
根據(jù)直流電源指標(biāo)：
1、輸入直流電源電壓：Ui=90-264V
2、輸入頻率：fi=50Hz
3、輸出直流電源電壓：Uo=24V, 8V
4、輸出直流電源電流：Io=3.5A, 1.2A
計(jì)算：
1、輸出電阻：Ro=Uo/Io
2、輸出功率：Po=Uo*Io
假定效率η=85%，計(jì)算：
3、輸入功率：Pi=Po/η
采用mathcad軟件可自動計(jì)算，將繁瑣的計(jì)算任務(wù)交給電腦處理，則以上計(jì)算如下圖所示：
主直流電源電路設(shè)計(jì)分2部分：
1、AC-DC直流電源整流部分，即輸入交流直流電源電壓Ui-母線直流電源電壓Ug部分；
2、DC直流電源-DC直流電源部分，即母線直流電源電壓Ug-輸出直流電源電壓Uo部分。
AC-DC直流電源部分：首先要確定母線電解電容的容值。
這個怎么選？有些人會根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇輸出功率的3倍作為容值，比如輸出30W，就選100uF的電容（30*3=90uF）。這樣選擇，誤差較大，而且僅適合全輸入直流電源電壓范圍的直流電源，如果不是全輸入直流電源電壓范圍，就無參考意義。
這里根據(jù)等效原理圖來計(jì)算如何選擇，如下圖：
1、整流橋?qū)▍^(qū)：當(dāng)輸入直流電源電流大于0A時，即ii>0A時，輸入直流電源電壓源通過D1、D2（負(fù)半周為D3、D4）給電容C充電，同時給恒功率負(fù)載供電，所以ug=|ui|=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*f*t)；
2、整流橋截至區(qū)：當(dāng)輸入直流電源電壓的絕對值小于母線直流電源電壓時，即|ui|<ug，電容C放電，給恒功率負(fù)載供電，所以ic=C*dug/dt即ug=ug0+(1/C)*∫ic*dt。
具體計(jì)算過程如下：
1、假定C的容值；
2、計(jì)算由導(dǎo)通區(qū)轉(zhuǎn)為截至區(qū)的時刻t0（即輸入直流電源電流=0A的時刻）與此時刻的ug（ug0），根據(jù)方程：ii=ic+ig=C*dug/dt+Pi/ug=0A；
3、計(jì)算截至區(qū)的時間△t=t1-t0與t1時刻的ug（ug1），根據(jù)方程：
0.5*C*(ug1^2-ug0^2)=Pi*△t；其中ug1=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*f*t1)；
4、根據(jù)母線波谷直流電源電壓ug1與紋波直流電源電壓△ug=2^0.5*Ui-ug1，判斷所選C是否合適。
示意波形圖如下，示意波形圖取自saber軟件：
母線波谷直流電源電壓ug1過小，會導(dǎo)致占空比變化過大，使直流電源無法正常工作。
母線紋波直流電源電壓△ug過大，會導(dǎo)致輸出直流電源電壓紋波過大。
而反之，則需要使用更大容量的電解電容，導(dǎo)致直流電源成本上升。
綜上，需要折衷考慮。
以上計(jì)算的mathcad計(jì)算過程如下圖所示：
如果將容值Cp改變，mathcad會自動計(jì)算，所得結(jié)果△ug可能就過大而不合適，或過小而造成浪費(fèi)。
比如改小CP=100uF如下圖，可以看到ug1=49V太小而不合適。
將導(dǎo)通區(qū)與截至區(qū)的直流電源電壓波形統(tǒng)一，即得到mathcad如下圖形。
并且計(jì)算了一個工頻周期里的平均值，作為后續(xù)計(jì)算損耗的計(jì)算值。
并根據(jù)母線直流電源電壓波形，計(jì)算輸入直流電源電流ii=ic+ig=C*dug/dt+Pi/ug；
作為后續(xù)輸入保險等的選擇依據(jù)。
AC-DC直流電源部分：確定輸入保險絲的直流電源電流值。
根據(jù)上文計(jì)算的輸入直流電源電流ii，計(jì)算i2t值作為參考，以及選用合適額定直流電源電流的保險絲，看是否滿足直流電源電流降額。
mathcad計(jì)算過程如下：
AC-DC直流電源部分：如何確定輸入熱敏電阻。
熱敏電阻的作用是抑制直流電源冷啟動時的輸入沖擊直流電源電流。
以下分別計(jì)算穩(wěn)態(tài)損耗、溫升，啟動瞬態(tài)輸入沖擊直流電源電流。
假定所選熱敏電阻如下所示：
穩(wěn)態(tài)部分計(jì)算如下：
1、根據(jù)器件資料的最大直流電源電流電阻值R，計(jì)算功耗P=I^2*R
2、再根據(jù)器件資料的耗散系數(shù)δ，計(jì)算溫升ΔT=P/δ
mathcad計(jì)算過程如下：
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，直流電源電流、損耗、溫升，看所選的熱敏電阻是否合適？要求是要滿足一定的降額，但也不能太多以防止浪費(fèi)成本。
暫態(tài)部分等效直流電源電路設(shè)計(jì)圖如下：
1、整流橋?qū)▍^(qū)：直流電源冷啟動瞬間，整流橋?qū)?，交流直流電源電壓源通過整流橋D1、D2（負(fù)半周為D3、D4）給母線電解電容充電；因此是一個強(qiáng)迫交流直流電源電壓源給一階RC直流電源電路設(shè)計(jì)充電。
2、整流橋截至區(qū)：由于直流電源還沒有軟啟動，因此負(fù)載為空載，母線電解電容直流電源電壓保持不變。
1、整流橋?qū)▍^(qū)：(ui-ug)/R=C*dug/dt，其中ui=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*fi*t+ф)，因?yàn)槔鋯訒r的初始相位相位不定，所以理論上要考慮所有情況。
這是一階RC直流電源電路設(shè)計(jì)，所以根據(jù)三要素法解微分方程，其解為：
ug=ug(s)+[ug(0)-ug(∞)]*e^(-t/τ)，其中ug(s)為穩(wěn)態(tài)解，即ug(s)=ui(s)*[(1/sC)/(R+sC)]，并寫成時域正弦波的形式。
2、整流橋截至區(qū)：ug保持不變。
以上取15度初始相位的示意波形圖如下，示意波形圖取自saber軟件：
輸入直流電源電流波形如上圖：
1、整流橋?qū)▍^(qū)：i=(ui-ug)/R；
2、整流橋截止區(qū)：i=0A；
根據(jù)直流電源電流波形可以計(jì)算冷啟動最大直流電源電流值和I2T，并判斷所取熱敏電阻是否合適。
暫態(tài)部分的mathcad計(jì)算如下：此處采用90度初始相位。
母線電解電容直流電源電壓波形：
冷啟動輸入直流電源電流波形：
根據(jù)直流電源電流波形計(jì)算的冷啟動最大輸入直流電源電流與I2T：
這里貼上0度初始相位時的計(jì)算波形，可以作為對比：
從這里可以看出不同的初始相位，最大輸入沖擊直流電源電流和I2T會有很大不同，而這僅僅依靠實(shí)驗(yàn)是不一定能測出來的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時，初始相位不一定剛剛好是你需要的相位。
AC-DC直流電源部分：如何確定整流橋
這部分內(nèi)容比較簡單，只要簡單計(jì)算一下：正向平均值直流電源電流I、功耗P=VF*I，再計(jì)算下結(jié)殼溫升就可以了。
mathcad計(jì)算過程如下所示：
AC-DC直流電源部分：確定輸入共模電感，分5部分。
1、磁芯的選擇；
2、假定匝數(shù)，計(jì)算共模電感量，看其是否滿足后續(xù)EMI的要求；
3、假定線圈直徑與并饒數(shù)，計(jì)算直流電源電流密度，看其是否合適；
4、根據(jù)所選磁芯骨架和匝數(shù)，計(jì)算共模電感的差模分量，也即漏感；
5、計(jì)算共模電感的銅損。
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