《德国工程师 详细的开关电源设计总结》.pdf

一個 200W 開關電源的功率級設計總結 Michael Weirich 實驗室經理 飛兆半導體（德国）公司 摘要 本文講述了一個基於FAN4800 連續PFC 前端的雙管正激電源的功率級設計。回顧了這種電源的設計選擇。討論的實際課題包括功 率器件選型，電磁設計，佈局和電磁干擾 (EMI) ，目的在於幫助工程師加速並改善其設計。 1. 導言 新的功率在200W-500W 的交流電源設計，越來越需要功率因素校正（PFC），以在減少電源線上的能源浪費，並增加最多來自電 源插座的功率。 這篇文章描述了一個用於液晶電視的200W 電源的設計與構造，所以提到了很多注意事項，以達到高效率，待機 功率低於1W，外形小巧尤其是高度為25mm ，無風扇的簡單冷卻，低成本。這些特徵對於將要應用的場合是不可或缺的。 2. 電路描述和設計 設計指標如下： ‧交流輸入電壓：85－265VRMS ‧功率因素： 0.95 ‧總輸出功率：200W ‧三個直流輸出：5V/0.3A 12V/5A 24V/6A 電源分為兩個單元。第一電源集成一個功率因素校正電路，內置在FAN4800 PFC/PWM （脈寬調制）二合一控制器周圍，產生一個 24V/6A 和12V/5A 的輸出。這個器件包含一個平均電流模式PFC 控制器和一個能夠在電壓和電流模式下工作的PWM 控制器。在 描述的這項應用中，PWM 工作在電流模式，控制一個雙管正激變換器。這種變換器能產生一個穩壓的24V 輸出。12V 輸出則由一 個采用MC34063A PWM 控制器的Buck 變換器產生。這個附加模塊改善了12V 輸出校正，減少交叉調節問題，這對於多重輸出正 激變換器總是一個問題，當負載大範圍變化時。附加變換器成本不是很高，如果與一個雙管輸出變換器的更複雜、更大的耦合電感 相比。 第二電源是一個基於飛兆半導體功率開關（FPS）的Flyback 變換器，它給FAN4800 提供電源和5V 輸出。這個電源工作在待機模 式下，它的無負載功耗低於500mW。因此，即使對於省電模式下小負載情況，也有可能滿足1W 待機功耗的限制。 為了簡潔，設計計算和電路圖將在每個模組中單獨給出。最終完成的示意圖和佈局，可在附錄中查到。 3. 功率因素校正 本節回顧了功率因素校正電路的電源選擇。用來設立乘法器的工作點和差動放大器的增益和頻率補償的低功率部件的設計在[1]中給 出。圖1 為電路示意圖 圖1：PFC 級示意圖，元件編號和FAN4800 應用說明〔1〕相對應 3.1 整流器 由於主電源用來提供一個200W 的輸出功率，即總輸入功率。假設PFC 的效率為90 ％，正激變換器效率為90 ％，其中輸出功率為： 考慮到最大輸入電壓為85VRMS，最大輸入電流為： 電磁干擾濾波器的常見共模扼流圈，必須承受這部分電流，同時具有約10mH 高電感。市場上有一些扼流圈，具有高電流，高電感 和小尺寸的特徵，來自EPCOS 和TDK 。扼流圈的實際值和類型由電磁干擾測試確定，依賴於工作條件，也許與本文提出的濾波器 有所不同。 與輸出串聯的負溫度係數熱敏電阻（NTC）限制了浪湧電流，但並非電源工作所真正需要的。 整流器根據IIn,RMS 選定，但注意到高額定電流二極管通常在某一電流下具有更低的電壓降，使用一個額定電流略高的整流橋是有 利的。對於實際設計，選擇一個6A/800V 橋GBU6K。 整流器功耗是可以預計的，通過一個恒定正向電壓下已知的近似二極管正向特性乘以一個串聯電阻。正向電壓VF 和串聯電阻Rs 必 須從規格說明書中查，對於GBU6K 分別是0.8V 和0.03Ω。功耗方程變成： 如果我們假設一個絕對的最高結溫度TJ 為150℃，最高室溫為50℃，然後BR1 散熱器的熱大熱阻（與空氣之間）應為 3.2 電感L1 在講述的設計中，通過L1 的波紋電流的振幅被選定為輸入電流的20％。在這種選擇下，電感可以根據下列等式（5） 計算： 給出的電感差不多是1mH。當RMS 電流等於RMS 輸入電流時，L1 的峰值電流是 在這個電流和5A/mm2 的電流密度下，所需的銅線截面積約為0.58mm2。 由於高頻電流僅為輸入電流的20％，趨膚效應和鄰近 效應不是很明確。三或四條細電線並聯總面積能夠達到所需面積就足夠了。在實際設計中，使用了三根直徑為0.5mm 的電線，電 流密度略低於5A/mm2。L1 的磁環尺寸根據被稱為磁環區域乘積Ap 確定，即有效磁性截面積和繞組面積（骨架）的乘積。這個乘 積很容易證