90%效率反激電源深究-電容電感篇

對于電源老鳥來說，接觸的設(shè)計(jì)多了，就會形成一套自己的獨(dú)特手法和習(xí)慣，隨著經(jīng)驗(yàn)的增長，這將形成一種良性的循環(huán)。而對于新手來說，尋找到一個(gè)合適的切入點(diǎn)都是比較困難的，更談不上形成這種良性的循換了。但是這個(gè)阻礙新手進(jìn)步的問題將被解決。本系列文章以反激電源設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，深究這種電源的設(shè)計(jì)手法并對其中的原理進(jìn)行細(xì)致的講解，對良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣進(jìn)行培養(yǎng)。

　　為了達(dá)到較為明顯的演示效果，本篇文章當(dāng)中使用的參數(shù)規(guī)格都是比較夸張的。輸入要求：AC90～275V，輸出5V～40A。 一個(gè)200W的反激式電源，（這么大的電源不一定能夠通過EMC，因?yàn)槁└泻头醇な降墓ぷ髂Ｊ絾栴}使大功率反激式EMC比較難過）。 因?yàn)檫@個(gè)電源電壓不高，電流大，次級整流的損耗大，估計(jì)按照此方法設(shè)計(jì)出來效率90%，一般輸出電壓越高的效率越好。

　　接下來說一下要用到的電源設(shè)計(jì)軟件。

　　1.SMPS Cal： 這是一款電源計(jì)算工具，用來做綜合評估，比如選擇什么拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，需要用多大磁芯，電容容量，電流有效值，峰值這些。先讓自己心里有個(gè)大概。

　　2.saber 2007 這個(gè)是一款仿真軟件，設(shè)計(jì)電源的時(shí)候用這個(gè)來仿真原理性問題，仿真的最多的是開環(huán)性仿真。

　　3.PExprt：這是一款ansys里面的變壓器設(shè)計(jì)軟件，比較好用，和實(shí)際的吻合度高。

　　本篇文章主要對電解電容進(jìn)行講解，并且使用saber來進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮o助講解。后期的難點(diǎn)將會是變壓器部分。

　　芯片選用BO5269D，這款芯片頻率是65K，我們先用工具來看下需要多大磁芯，因?yàn)闆]有特殊要求，用EE磁芯來設(shè)計(jì)這款電源。

　　計(jì)算出來是30000立方毫米，這個(gè)是參考設(shè)計(jì)，不是真正的定型，所以我們初選黃色標(biāo)中的3款磁芯，自己心里面現(xiàn)在對磁芯有個(gè)大概的了解了?！　∪缓笪覀兇蜷_反激式算法面，輸入相關(guān)參數(shù)，再來看看電路部分，變壓器部分是個(gè)大概什么情況，讓自己心里面對這款即將設(shè)計(jì)的電源有個(gè)了解。但是不是按照這個(gè)參數(shù)來設(shè)計(jì)，不然這個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來都不知道怎么死的。到這里，都是沒什么技術(shù)含量的事情，但是卻是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和宏觀架構(gòu)。

　　初級的電解電容是儲能電容，用于在電源工作時(shí)提供能量，因此在市電正弦波上升的時(shí)候給電容充電，下降沿的時(shí)候靠電容給變壓器提供能量。這時(shí)候就涉及到一個(gè)電容的波谷電壓。電源就是通過這個(gè)波谷電壓來選擇電容容量的。

　　圖1

　　通過波谷電壓來算電容容量算是設(shè)計(jì)上的一種習(xí)慣，一般波谷電壓取100V電壓溫升不會超過40度（溫升是電容溫度-室溫）。但是也有選擇70V甚至60V的，電容溫度一般都跑到了90度以上（此處不是指溫升）。波谷電壓也是計(jì)算變壓器的最小電壓?；旧贤粋€(gè)電路電容波谷電壓月底，電容溫升越高。電解電容的壽命現(xiàn)在基本上都按照比標(biāo)準(zhǔn)溫度降低10度，電容壽命增加一倍來估計(jì)電解電容壽命。實(shí)際工作中用這個(gè)方法是可行的。電容的計(jì)軟結(jié)果：

　　Saber的仿真

　　現(xiàn)在用saber來仿真電容的ESR參數(shù)特性，目前只仿出來了電容的ESR濾波特性，先看理想電容的頻率特性：

　　圖2

　　圖3

　　加入電容寄生電感后特性（包含PCB線路所產(chǎn)生的電感，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮），電容濾波就是靠這個(gè)特性的。后面會在仿真下數(shù)字電路和電源電路ESR的影響。

　　圖4

　　圖5

　　電容的ESR

　　電解電容的ESR數(shù)電和模電中的特性不多說，直接來說ESR在電源中展現(xiàn)出來的特性。在電源中ESR絕對不是正切值計(jì)算出來那么簡單的，展現(xiàn)出來的特性是比較復(fù)雜的。還是用saber來把ESR的特性仿真出來。下面的圖中給出理想電容仿真結(jié)果，以便對比。理想電容的波形是很漂亮的。

　　圖6

　　圖7

　　圖8

　　圖9

　　圖10

　　圖11

　　圖10是整流二極管的電流特性，圖11是ESR的仿真原理圖，最后總結(jié)下ESR特性。

　　圖12

　　另外，現(xiàn)在有些電源要測試連接電源時(shí)的沖擊電流，660uf電容的沖擊電流見圖12，達(dá)到了90A，實(shí)際做方案的時(shí)候需要考慮做開機(jī)啟動。

　　通過上面的仿真，總結(jié)出來電解電容在電源中特性：

　　二極管給電容充電時(shí)的損耗（主要是寄生電阻損耗）：從圖12看出，市電在超過電解電容谷底電壓時(shí)充電，充電電流集中在這一段區(qū)域，電流很大，頻率低而且是正弦波，寄生電感可以忽略；

　　mos開啟寄生電阻損耗：這個(gè)損耗就是在對變壓器儲能的時(shí)候，寄生電阻對電流損耗；

　　mos開啟寄生電感儲能損耗：這個(gè)損耗就是在對變壓器儲能的時(shí)候，整個(gè)回路的電感都會儲能；

　　mos關(guān)斷寄生電感能量釋放：這個(gè)能量釋放會產(chǎn)生噪音，影響EMC，所以很多電源電解電容旁邊并聯(lián)個(gè)麥拉電容吸收這個(gè)能量；

　　所以電解電容在電源中叫濾波電容是針對市電而言的，對變換器來講，電容卻變成了一個(gè)損耗器件并會產(chǎn)生諧波。關(guān)于整流二極管的損耗，這里順便說一下，0.7V是指PN結(jié)的門檻電壓，不是指二極管導(dǎo)通的時(shí)候總電壓，兩邊的硅半導(dǎo)體依然有其電阻率，所以二極管的電壓是0.7V+I^2R（R為引腳電阻和硅半導(dǎo)體電阻）。因此選用電流更大的二極管其寄生電阻更?。ㄒ?yàn)楣璋雽?dǎo)體寬度變寬）。

　　至于saber的仿真，其實(shí)是在仿真例子電源。5V40A做到90%效率難度是高的，所以必須的掌控好電源的每一個(gè)細(xì)節(jié)才能做到。只要把器件的寄生參數(shù)設(shè)計(jì)的合理，整個(gè)電源的效率在仿真階段就可以檢討了。

　　在對高效率設(shè)計(jì)不斷地追求過程中，其實(shí)更多的是在尋找一種全新的設(shè)計(jì)手法，重視從實(shí)際產(chǎn)品入手，憑借經(jīng)驗(yàn)逐步進(jìn)行調(diào)試來完成設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)方式比死磕書本和用公式推算來的有效率，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，在未來將有更多的工具誕生來輔助我們進(jìn)行設(shè)計(jì)和定位。