开关电源的变压器设计之输入参数(η,Pin,Cin以及Vin)确定

1. 通常从设计规格或客户端可以获得下列参数：

    1）若为直流输入，则有:

     - 输入电压范围(Vdc): Vi_min£Vi_DC£Vi_max

    2）若为交流输入，则有:

     - 输入电压范围(Vac): Ui_min£U£Ui_max

     - 输入电压范围(Hz): Fmin£F£Fmax

    3）输出峰值电流持续时间(td)，以及过流保护持续时间要求(toc)，

    4）输出保持:

      - 保持时间(Holdup time)th,

      - 输出保持要求的输入电压Vh

      - 输出保持要求的负载(Io_h(n))/功率(Po_h),假如有K组输出(包括独立的待机输出Vsb)，则有：http://s3/middle/871e6920gbc877ef480e2&690

2. 设定电源的效率η
    1）若客户有要求，则按照客户的要求设置；

    2）若没有客户要求，则参考电源行业的设计标准设置,如EPA；或

    3）按公司的最低设计成本要求设置，一般取η=70~80%。

 

3. 确定开关电源的输入功率Pin

    根据已确定的输出参数中的Po，可以确定电源的输入功率Pin：Pin=Po/η。

4. 估算输入电容(B-cap)容量 Cin：
    B-cap的容量的选择非常关键，它直接影响到电源在规定的输入电压范围内是否有足够的能力提供客户所需要的功率。下面将介绍几种方法来大致估算B-cap的容量(Cx)。但为满足实际批量生产的要求，需考虑电容本身的容量误差下限-20%:

         C³Cx/0.8=1.25Cx (uF)

    一般取Cin最接近计算结果C的容量值。

    1）交流输入中的B-cap容量估算 
    方法1. 根据经验，估算B-cap电容Cx：
         Cx=α*Pin
         式中：α=1~3μF/W

    下表列出了一些Cx经验公司方案，可以作为参考:

估算B-cap电容 (Po的单位：W)
输入交流电压(Vac)	变压器输入直流电压(Vdc)	α（μF/W）	B-cap电容Cx（μF）
110±15%	³90	2~3	³（2~3）*Po
85~265	³90	2~3	³（2~3）*Po
230±15%	³240	1	³Po

 

 

 

 

 

 

    方法2.假定B-cap上容许的纹波电压为∆V，如下图1所示： http://s13/middle/871e6920gbce74e2195bc&690

    则根据能量守恒可有：                       http://s15/middle/871e6920gbce61c2e568e&690                                              

          式中, Cx:为B-cap的估算值，单位F,

          Po:为电源输出参数中确定的功率，单位W，

          Fmax:为交流输入最大频率，单位Hz,

          t:为整流桥导通时间，单位为S；根据实际经验,t一般取3mS(可适当降低输入谐波电流值)，

          η:为电源效率，

          Umin:为电源输入最低交流电压，单位为Vac；

          ∆V:为B-cap电容的纹波电压，单位Vdc。

    说明：对Umin, 一般设计时可取Umin=(0.9~0.95)*Ui_min，若有Brown-out要求，则按Brown-out要求选取。

    2) 对PFC输出B-cap的选择，可以参考上述的方法1。

    3）对于直流输入的B-cap容量的选择，一般根据输出保持时间的要求选择。

    总之，根据上面方法，可以大致确定B-cap的最低容量要求。但最终还要根据实际的调试结果加以调整，如动态/瞬态负载及输出保持条件等。

 

5.变压器输入电压Vin及B-cap容量的调整

    1）变压器一次侧最大输入直流电压Vin_max：
      - 若电源为直流输入，则变压器一次侧最大输入直流电压为: Vin_max=Vi_max,

      - 若电源为交流输入，则变压器一次侧最大输入直流电压为: Vin_max=http://s4/small/871e6920gbce7698cf973&690*Ui_max。

   
    2）变压器一次侧最小输入直流电压Vin_min：
    对于Vin_min，它不仅是电源的最大占空比所在，也是设计如PWM控制芯片的开始或停止工作的Vcc所需的。

    另外，Vin_min与B-cap的容量将相互影响，在下列情形下需要对B-cap的容量进行调整：

     - 计算所得的Vin-min太小，或

    - 变压器设计时，计算所得的最小占空比太小，或

    - 变压器设计时，计算所得的最大占空比太大，或

 

    变压器一次侧最小输入直流电压Vin_min的计算需考虑以下几种情况：
    a. 若没有PFC电路和输出保持时间要求，但因为B-cap之前的线路，如EMI电路，浪涌电流限制电路和桥式整流器等，及B-cap本身的ESR影响，一般取：Vin_min=1.1~1.2*Umin；或

http://s5/small/871e6920gbce7c8e26374&690

          式中, C:为B-cap的标称值，单位F,

          Po:为电源输出参数中确定的功率，单位W，

          Fmax:为交流输入最大频率，单位Hz,

          t:为整流桥导通时间，单位为S；根据实际经验,t一般取3mS(可适当降低输入谐波电流值)，

          η:为电源效率，

          Umin:为电源输入最低交流电压，单位为Vac；一般设计时可取Umin=(0.9~0.95)*Ui_min，若有Brown-out要求，则按Brown-out要求选取。

  

    b. 若没有PFC电路但有输出保持时间要求时：
       - 计算在输出保持时间条件下的最低输入电压，并将计算结果与a的结果作比较，取两者中较小的数值作为计算时的最小输入直流电压Vmin： 

http://s13/small/871e6920g794a6343936c&690

          式中, C:为B-cap的标称值，单位F,

          Vo:为电源输出参数中确定的输出电压或折算电压Vo_x，单位Vdc，

          Ih:为输出保持时间条件下的最大输出负载，单位A，

          Fmax:为交流输入最大频率，单位Hz,

          t:为整流桥导通时间+输出保持时间，单位为S；t=th+(1~3)mS,

          η:为电源效率，

          Uh:为电源输入最低交流电压，单位Vac。

      注：Vo*Ih即为为输出保持时间条件下的最大输出功率Po_h  

    
    c. 若有PFC但无输出保持时间要求，则Vin-min可设定为：

       * PFC最低输出电压VPFC_min的90~95%，即Vin_min=(0.9~0.95)*VPFC_min，或

       * 如果有Brown-out要求，则按Brown-out要求选取。

 

    d. 若同时有PFC及输出保持时间要求

http://s3/small/871e6920gbce9526de682&690

          式中，C:为B-cap的标称值，单位F,

          Vo:为电源输出参数中确定的输出电压或折算电压Vo_x，单位Vdc，

          Ih:为输出保持时间条件下的最大输出负载，单位A，

          t:为输出保持时间，单位为S；一般为保证一定的设计余量，取t=th+(1~3)mS,

          η:为电源效率，

          VPFC_min:为PFC最低输出电压, 单位Vdc。
      注：Vo*Ih即为为输出保持时间条件下的最大输出功率Po_h。

 
    e. 对于直流输入的电源来说，计算Vin_min时将c及d中的VPFC_min改为规格中的Vi_min即可。