L=VON×tON/△I=VIN×D/f rIL=VIN×D/f r(PIN/ DVIN)=(VINMIN×DMAX)2/ f rPIN
23
=(108.2*0.43)/(26.667*2*67*10)=605.8μH 实际600μH
5,确定磁芯和初级线圈的最小匝数 选择磁心有有几种不同的公式,有算磁心体积的,有算磁心截面积和开窗面积乘积的。总之,要适应本电源的实际应用,就要选择扁平的磁心。
2
《精通开关电源设计》提供的公式磁心体积Ve=[0.7*(2+r)/r] * PIN/f f单位为KHz p99
3
Ve=2229mm实际选择变压器,要求是扁平的形状,压低高度,利于超薄电源设计。
Np=(1+2/r)*VON*D/(2*BPK*Ae*f)=(1+2/r)*VINMIN*Dmax/(2*BPK*Ae*f) P100 P72 =(1+2/2)*120.19*0.43/(2*0.3*141*10-6*67*103)=16.4 如取B=0.2,则Np=24.6匝 规格书没有磁心的Ae,实际测量的为Ae=141mm2,供应商提供的实际变压器为28匝
6确定输出匝数
匝比n=Np/Ns=VRO/(Vo+VF)=90.67/(5.1+0.6)=15.91 实际为14
则5V输出的匝数为Ns=24.6/15.91=1.55 则为2匝,1匝漏感大,实际是2匝 则Np=2*15.91=31.82=32匝,实际28匝
VCC匝数为n=(VCC+VF)/(Vo+VF)=(16+0.6)/(5.1+0.6)=2.91 NVCC=2*2.91=5.82=6匝,实际为7匝 磁心气隙计算,也有不同的计算方式
第5章 导通损耗和开关损耗
开关损耗与开关频率成正比
Vgs电压增大,到超过MOSFET提供的最大负载电流值后,则是“过驱动”,有助于减小导通电阻。
MOSFET导通关断的损耗过程P145
1、 导通过程中,开关两端电压,直到电流转换完成才开始变化。即VI有交迭 2、 关断过程中,直到开关两端电压转换完成,其电流转换才开始
导通损耗,mosfet的导通损耗与占空比有关,与频率无关
寄生电容
有效输入电容Ciss,输出电容Coss,反向传输电容Crss,他们与极间电容的关系如下: Ciss=Cgs+Cgd Coss=Cds+Cgd Crss=Cgd
则有下式(Ciss,Coss ,Crss在产品资料中有) Cgd=Crss
Cgs=Ciss-Crss Cds=Coss-Crss
11
门极开启电压Vt,mosfet的栅极有开启电压,只有栅极电压超过开启电压,才能使mosfet完全导通,即把流过mosfet的电流超过1mA时的状态定义为导通状态。 所以传导方程要改g=Id/Vgs → g=Id/(Vgs-Vt)
如上图简化模型,mosfet导通和关断各有4个阶段P150
导通是Id电流先增加t2,Vd电压后减小t3。电流增加时间是对Cg充电从Vt到Vt+Io/g的时间。电压减小的时间是利用Cgd流出电流=驱动电阻电流 关断是Vd电压先增加t2,Id电流后减少t3。电压增加时间是利用Cgd流出电流=驱动电阻电流;电流减少是Cg放电从Vt+Io/g到Vt的时间
t1阶段
导通过程t1,
Vgs从0上升到开启电压Vt,对Cg=Cgs+Cgd充电 关断过程t1,
Vgs下降到最大电流时电压Vt+Io/g,Cg=Cgs+Cgd放电
t2阶段,有交越损耗 导通过程t2,
Id从0上升到Io=g*(Vgs-Vt),
Vgs继续上升到Vt+Io/g,对Cg=Cgs+Cgd充电 Vd因漏感出现小尖峰,其余Vd=Vin不变。 t2是对Cg充电从Vt到Vt+Io/g的时间。 关断过程t2,
Vgs被钳位于Vt+Io/g不变,因为Io不变,Vgs=Vt+Io×g也不变。所以Cgs没有电流 Vd从0变至Vin,所以有电流流过Cgd注入栅极,同时有同样电流通过Rdrive流出。 t2时间,由I=Cdv/dt =/t由上行知道=(Vt+Io/g-Vsat)/Rdrive Vsat为驱动电路的晶体
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管导通电压,一般为0.2v
则t2阶段时间为=Cgs×Vin×Rdrive/(Vt+Io/g-Vsat)
t3阶段,有交越损耗 导通过程t3
Vgs被钳位于Vt+Io/g不变,因为Id=Io不变,Vgs=Vt+Io×g也不变。所以Cgs没有电流
Vd从Vin变至0,所以有电流流过Cgd流出栅极,同时有同样电流通过Rdrive流入。用这个来计算该阶段的时间。 关断过程t3
Vgs由Vt+Io/g继续下降到Vt,Cg=Cgs+Cgd放电, Id从Io=g*(Vgs-Vt)下降到0
Vd因漏感出现小尖峰,其余Vd=Vin不变
t4阶段
该阶段,导通Vgs继续Cg充电,关断Cg继续放电。其它不变
栅荷系数,用来描述寄生缓冲电容的影响。目前都基于极间电容为定值来分析通断 P155 Idrive是驱动电路,通过Rdrive的电流
t1?t2根据C=Q/V,Qgs=Ciss×(Vt+Io/g) Qgs=
?Idrive*dt
0t1?t2?t3将I=CdV/dt代入t3(Vin变化为0),Qgd=Cgd×Vin Qgd=
t1?t2?Idrive*dt
单独分析t3,将C=Q/V代入该点,Qg=Ciss×(0.9×Vdrive)+Qgd
t1?t2?t3?t4Qg=
?Idrive*dt
0
实际例子:
假设开关管的工作条件是:电流22A、电压15V、频率500KHz。其最低驱动电阻(一个幅值4.5V的脉冲通过它作用于栅极)是2Ω。关断时,开关管的关断电阻是1Ω。据此计算出其开关损耗和导通损耗。
Ciss=Qgs/(Vt+Io/g)=8/(1.05+22/100)=6299pF 在指定的曲线上Ciss=4200pF
则缩放比例为Scaling=6299/4200=1.5 Ciss=4200*1.5=6300pF Coss=800*1.5=1200pF Crss=500*1.5=750pF 则
Cgd=Crss=750pF
Cgs=Ciss-Crss=6300-750=5550 pF
13
Cds=Coss-Crss=1200-750=450 pF Cg=Cgs+Cgd=6300 pF
导通时
时间常数是Tg=Rdrive×Cg=2*6300pF=12.6ns 电流传输时间为
t2=-Tg×In{1-Io/[g×(Vdrive-Vt)]}=-12.6×In{1-22/[100×(4.5-1.05)]}=0.83ns 电压传输时间为
t3=Vin×(Rdrive×Cgd)/[ Vdrive-(Vt+Io/g)]=15*(2*0.75)/[4.5-(1.05+22/100)]=6.966ns 所以,导通过程的交叉时间是
tcross_turnon=t2+t3=0.83+6.966=7.796ns 因此,导通的交叉损耗是
P cross_turnon=1/2×Vin×Io×tcross_turnon×fsw=1/2*15*22*7.8*10-9*5*105=0.64W
关断时
时间常数是Tg=Rdrive×Cg=1*6300pF=6.3ns 电压传输时间为
T2=(Vin×Cgd×Rdrive)/(Vt+Io/g)=(15*0.75*1)/(1.05+22/100)=8.858ns 电流传输时间为
T3=Tg×In[(Io/g+Vt)/Vt]=6.3*In[(22/100+1.05)/1.05]=1.198ns 关断的交叉时间是
tcross_turnoff=T2+T3=8.858+1.198=10ns 因此,关断的交叉损耗是
Pcross_turnoff=1/2×Vin×Io×tcross_turnoff×fsw=1/2*15*22*10*10-9*5*105=0.83w 最终总的开关交叉损耗是:
Pcross=P cross_turnon+Pcross_turnoff=0.64+0.83=1.47w Cds电容并不影响V-I重叠面积(因为不和栅极连接)。但是在开关管关断和导通时分别充电和放电,这也是额外损耗(消耗在那里?),在低压是不明显,但是在高压时这个损耗比较大。
P_Cds=1/2×Cds×V2in×fsw=1/2*450*10-12*152*5*105=0.025w 因此总的开关损耗是
Psw=Pcross+P_Cds=1.47+0.025=1.5w 驱动损耗是
Pdrive=Vdrive×Qg×fsw=4.5*36*10-9*5*105=0.081w
在反激DCM模式下,mosfet的导通损耗原则上是0,关断时,电感中电流为纹波电流。
第6章 布线要点
第7章 反馈环路分析及稳定性
需要数学知识有傅里叶变换、拉普拉斯变换。还要熟悉微积分、级数、复变函数。
第8、9、10、11、12、13、14章 传导EMI方面
14
dBμV=20×log(mV/10) P240
-3-6
1mV→20×log(10/10)=60 dBμV
dB=20×log(n)→1dB=20×log(1.122) 0dB=20×log(1)
传导发射的限制通常最高只达到30MHz,因为电网上30MHz以上的传到噪声会迅速衰减,不会传播的很远并造成干扰。
整流桥二极管会产生大量中频到高频的噪声,尤其在关断瞬间。
线路阻抗不平衡,会使CM噪声转变成DM噪声
这个实践性比较强,先写几个注意事项:
1, DM扼流圈放在AC输入端,用于DM噪声消除,一般DM扼流圈比较小, 2, 放2个CM扼流圈,一般CM扼流圈比较大,达到mH级,因为Y电容比较小 3, 在桥堆前面放一个X电容,用于平衡2线上的CM噪声,使CM扼流圈有用 4, Y电容不能太大,有安全考虑,LC滤波器的设计
5, DM噪声大部分因为,开关管的滤波电容,其ESR不能为0,开关管的电流在ESR上形
成噪声电压源。
6, CM噪声,主要来自开关管(漏极)和散热支架(接地)之间有耦合电容,高频开关电
压和地之间通过电容充放电,形成到地的CM噪声。还有一部分是来自变压器。P255-263
-6
15
精通开关电源设计笔记
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