《多路输出开关电源设计》(6)

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 4开关电源电路设计

4.1EMI滤波器设计

在开关电源的输入端设置EMI滤波器能在够有效地滤除来自电网的尖峰干扰，同时也能防止频率很高的高次谐波分量扩散到电网从而污染电网，这些高次谐波是开关电源工作时产生的[24]。 4.2.1EMI电路分析

EMI直译是是“电磁干扰”，是指电子设备（干扰源）通过电磁波对其他电子设备产生干扰的现象。它主要有两种类型：传导干扰和辐射干扰。电子设备或系统在复 杂的电磁环境中应具备彼此兼容的能力，就是说互相不产生干扰的各自工作。电源产生的噪声就是一种电磁干扰EMI，它传导噪声的频率大致为10KHz~30MKHZ，最高时能够到达150MHz[25]。

本设计采用的EMI滤波电路如图所示：

图4-1EMI滤波电路

4.2.2 电路EMI滤波器参数设置

EMI滤波器作为降低电磁干扰的一种经常釆用的装置，和一般的滤波器有一定的不同，其性能指标和参数有特定的选择和计算方法[26]。根据设计需要选用图4-1所示的电路结构，具体参数取值如下：

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） (1) CX01、CX02：抗差模干扰元件，称为X电容，属于安规电容。X电容有三种类型：X1、X2和X3，不同类型的X电容耐高压的数值不同。在关电源中经常采用的是X2电容，它的耐高压值不大于2.5kV，电容大小在10nF~470nF之间。本设计选用聚 酯薄膜类电容，体积虽然相对较大，但它允许瞬间充放电的电流比较大，并且内阻比较小。本设计选用的X电容参数为100nF。

(2) C7、C8：抗共模干扰的元件，是Y电容，属于安规电容。根据额定电压值的不同，Y电容可分为四类：Y1、Y2、Y3和Y4，开关电源中经常采用的是Y1类电容和Y2类电容。把C7和C8跨接在输入端电路两端，并且将两个电容器连线的中点接地，这样能够对电路中产生的共模干扰有很好的抑制效果。在本次设计中选择了陶瓷电容，容量范围在2.2nF~100nF之间。为了减小漏电流值，电容容量不能超过100nF，本设计选择参数为10nF的Y电容。

(3) L01：共模电感，它的作用是用来滤除电路产生的共模噪声干扰。它的结构是在一个闭合磁环上对称的绕制了两个线圈，这两个线圈的匝数相等，方向相反；当带有共模噪声的电流流经这两个绕组的时候电流的方向是相同的，那么它们产生的磁通量就会同向相加，这个时候共模电感的线圈呈现出高阻抗的性质，这样就会使得共模的信号不容易通过，从而达到抑制目的。在电路设计中，共模电感通常在5mH-33mH之间取值。本设计取的值是6mH。

4.2 开关电源的高频变压器设计

开关电源中的高频脉冲变压器的实质同耦合电感相同，它具有变压，电气隔离，磁耦合传送能量等作用，是开关电源中的核心元器件，它的性能的好坏对整个开关电源设计能否成功至关重要[27]。

高频变压器的设计主要包括磁芯的选择（保证满足要求的功率转换）、匝数比、初级线圈匝数、次级线圈匝数、线径等参数的确定。复杂的电路中还应该考虑相应的损耗，包括铜耗、磁滞损耗等。因此要设计出高效的变压器必须综合考虑，并且进行严格的计算[28-30]。 4.2.1 估算输出功率和输入功率

根据设计指标要求，计算总的输出功率P0：

P0??VoiIoi?12?0.5?5?2?16W

i?12公式（4-1）

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 设计的开关电源有两路输出，考虑输出整流二极管上存在正向压降及留有一定裕量，输出功率P0=20W。 根据输出功率P0和效率?，计算输入功率Pin: Pin?P0??20?23.53 0.85公式（4-2） 4.2.2确定最小和最大直流输入电压值和电流值 输入交流电经过整流桥后，输出侧的最小和最大直流电压由下式计算得出： Vin V min?VACmin?2?40?193.35Vin max?VACmax?2?265?2?374.77V 公式（4-3） 公式（4-4） 直流电压与整流器的电压降，储能电容的等效阻抗值，整流器的电压降，电源线路中的阻抗，以及负载的大小均有关系。在计算最小输入直流电压时减去的40V为经验取值。 根据计算的最小和最大直流输入电压值，可以计算出输入电流的最小和最大值，如下式所示： Iinmin?Pin23.53??0.06A Vinmax374.77Pin23.53??0.12A Vinmax193.35公式（4-5） 4.2.3验证磁芯的合理性 Iinmin?公式（4-6） 这里采用Ap值法进行验证，即Ap?Ae?Aw，Aw是磁芯窗口面积，Ae是磁芯有效截面积。 KT?Pomax?104Ap?We?Aw?(cm4)Bm?f?k?j??

公式（4-7）

取变压器原副边导线的电流密度J=400A/cm2、变压器的效率η为0.9、变压器的窗口系数K=0.4，式中KT为电路拓扑系数。计算公式为 代入数据得： 0.68?500?104Ap?We?Aw??5.9 30.16?25?10?0.4?400?0.923

KT?Dmax2?1?2Dmax4 公式（4-8） 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 查询变压器磁芯数据参数表，EE55铁氧体磁芯的磁芯截面积Ae=3.54cm2，窗口截面积Aw =2.8cm2，则其功率容量积： Ap?Aw*Ac?3.54?2.8?9.912cm4 公式（4-9） 由上式计算可得：选取EE55铁氧体磁芯满足设计要求。 4.2.4绕组匝数的计算 计算公式如下： 化简公式得： NsUomax?2UDon?Dmax ?Np2??UDCmin?UQon??Dmax?Ns?Uo?2????UDC?UQon??2UDon??D ?Np?公式（4-10） 公式（4-11） 本设计中选择最大占空比为0.48，由于MOSFET管有压降需要考虑，通过查阅资料，取压降为1.3V，整流二极管的压降为2×0.7V，输出电压为12V。代入上式得： 初级线圈的匝数： Np?Uinmin?Tonmax 2?Bm?AeN?NS?4.59 NP公式（4-12） 公式（4-13） 式中Vin为输入电压最小值，D为占空比取0.48，Bm为最大磁感应强度这里取0.15，f为工作频率，其值为20KHz，代入数据得： NP?12?0.96?2.7 3.54?0.24?20?103这里选取的初级线圈的匝数是3匝，Np=N1=N2=3，因此可以得出如下结果： Ns?N?NP?3?4.59?13.77 公式（4-14） 为了留有一定的裕量，这里取Ns为15匝。 4.2.5线圈导线截面积的计算 求导线截面积的公式： Si?Ii J公式（4-15） 式中Si为变压器各绕组铜导线的截面积，Ii为各绕组中的平均电流，J是电流密度。代入数据得初级线圈导线截面积为： 24

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） Si?次级线圈中导线的截面积： 4?0.001cm2 4002?0.005cm2400 Si?4.3 保护电路和输入端整流电路设计

4.3.1输入端保护电路设计

开关电源的输入端保护电路的设计是设备安全、可靠工作的重要因素。本设计采用的保护电路如图4-2所示：

图4-2输入端保护电路

在保护电路模块的设计过程中需要选用多种安全元件,它们的作用分别为：FUSE，熔断保险丝；RT，热敏电阻器；RV，压敏电阻，具有负温度系数。根据设计需要，本设计选用上图结构，保险丝FUSE参数2A/250V，过流保护；RV选 择参数为10D/560V的压敏电阻，用它来抑制瞬态电压。热敏电阻RT串联在共模电感后面，位置如图4-2所示，选用NTC10D-9，它起到软启动的作用，这是为了防止在电源刚通电瞬间，因瞬时充电电流过大而导致输入电容损坏[31]。 4.3.2输入端整流电路设计

整流电路的作用是把输入的交流电转变为脉动的直流电压，它的原理是利用二极管的单向导电性来实现。隔离式开关电源多釆用桥式整流电路，这种电路是将四只整流二极管互相连接成桥式的结构，依据二极管单向导电的特性，整流二极管在正弦波的正负周期内

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