基于PQ35的开关电源设计
1.引言
开关电源从上世纪50年代问世至今以体积小、效率高而广泛应用于计算机、通信装备等几乎所有的电子设备。其种类繁多、形式多样，发展趋势也朝着小体积、高效率、低成本的方向发展。这里介绍的3 00 w开关电源属于隔离型硬开关、半桥式开关电源，在较低电压(1 4v)和较大电流(2 2a)输出的条件下有很好的效率及输出指标，对核心器件(例如高频变压器)进行了合理的参数及绕制工艺设计。
高频变压器是开关电源中核心能量转换部件，它和普通工频变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片，而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁芯或铍莫合金等磁性材料，其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量[1]。
铁氧体磁芯有ec、ee、edt、ep、 epc、 ef、 ei、 pq、 rm、 p、lp等多种型号，应用于各种不同的要求，其中pq型磁芯具有磁屏蔽好的优点，减小了电磁干扰(emi)的传播，特别适用于开关电源变压器，在50w～1 000w范围内的效果较好。
2.用pq35/35制作300w半桥式变换器高频开关电源
2.1 300w(14v、22a)半桥式开关电源原理图
3 00 w(1 4 v、 2 2 a)半桥式开关电源原理图如图1所示。由原理图可看出，3 00 w半桥式开关电源主要由两只功率管irfp460lc、高频变压器pq35/35(pc40材质)、输出整流滤波电路、驱动电路、保护电路、控制电路(篇幅所限本图未给出)以及辅助电源等组成。
关于半桥式开关电源原理许多书籍已详细说明，本文不再嗷述，下面详细说明高频变压器的参数设计和绕制工艺。
2.2 300w半桥式开关电源高频变压器的参数设计与绕制
半桥式高频变压器的磁化特性工作在第一、三象限，磁通变化从一bm到+bm，属于对称式工作变压器，无需加气隙。
(1)估算pq35磁芯的功率容量
开关电源变压器功率容量计算式为[2]：
式中
pt--变压器的视在功率，对于半桥式pt=(1/ η+1.4 1 4)p。，其中取效率η=8 5%，po=300w， 则pt=777w;
ko--窗口的铜填充系数，取0.5：
kf--波形系数，方波时取4;
fw--开关频率，本例为1 00khz：
bw--磁芯工作磁通密度，一般取1/3饱和磁通密度，本例采用p c 4 0材质，饱和磁密g s=0.39t(1 00℃)， 取bw=0.1 3t：
kj--电流密度比例系数，一般取400：
x--常数，由所选磁芯确定，可取一0.1 2。
则a p=(7 7 7*1 04/0.5*4*1 00*1 03*0.1 3*4 00)1.14≈0.72cm4。
也可以由下式计算[3]：
式中
pt--变压器的标称输出功率,可取1.5po为450w;
η--变压器的效率,这里取85%：
f--开关频率，本例为1 00kh z：
bm--磁芯的最大磁感应强度，取1 500gs：
δ--漆包线的电流密度，1 00khz频率可取6a/mm2：
km--窗口的铜填充系数，取0.5：
kc--磁芯填充系数，可取1.0。
则a p=4 5 0*1 06/(2*0.8 5*1 00*1 03*1 5 00*4*0.5*1)≈0.59cm4。
而查表p q 3 5/3 5的a p=4.3 c m4，远远满足功率容量要求，之所以选pq35也是为以后加大输出功率做准备。
(2)计算原边绕组匝数
原边绕组匝数可由下面公式计算：
式中
kf--波形系数，方波时取
pt--变压器的标称输出功 4;率，可取1.5po为4sow;
fw--开关频率，本例为η1--变压器的效率，这里 1ookh z：
bw--磁芯工作磁通密度，取0.1 3t;
ae-- 磁芯有效面积，pq35/35为196mm2;
v--变压器原边电压，本例中v=250*1.3/2=1 62.5v。
则np=1 6 2.5/4*1 00*1 08*0.1 3*1 9 6*1 0-6≈ 1 5.9，取整1 6匝。后来经过实验，取20匝比较合适。
(3)计算原、副边绕组匝数比及副边绕组
可按下式计算半桥式高频变压器的原、副边匝数比：
式中
np--原边绕组匝数
ns--副边绕组匝数
vi n mi n--最小输入直流电压，在交流1 9 0 v加载下约为1
90*1.3=247v。
v o p--变压器应输出电压，为电源输出电压vo、整流二级管正向压降vdf和滤波电感直流压降v l三项之和除以占空比d，即vop=(vo+vdf十vl)/d。在本例中vo=14v、v df=0.7v、vl。=0.2v、d=0.8，则 vop=(1 4+0.7+0.2)/0.8=18.625v
则np/ns=1/2*247/18.625≈6.6。
副边绕组ns=np/6.6=20/6.6≈ 3匝，在实验中2 0：3的匝比取得了很好的效果。
(4)线径和根数的选取
原边绕组电流为i p=2 p o/vsη;
po=vop*22=14.9*22=327w;
vsη=vin min*η=247*98%=242.0 6，其中η为变压器的效率;
则 i p=2*3 2 7/2 4 2.0.6≈2.7a。
考虑趋肤效应，在l00khzl00℃下穿透深度为△=7.6 5/f1/2≈0.242mm[4]，2△=0.484mm， 应选择直径不超过0.484mm的漆包线。考虑有漆的厚度，实际中选取了0.49mm
的高强度漆包线。
取电流密度j=6a/mm2，则单根o.49mm线径漆包线可通过电流为：
i=jπd2/4=6*3.1 4*0.49*0.49/4≈1.1 3a
则初级可用3根并联。次级为i p*np/n s/i≈1 6根。因为次级的电流比较大(2 2a)，也可用铜箔绕制。
(5)高频变压器的绕制
高频变压器的绕制在制作开关电源过程中是很复杂的，当功率管由导通转为关断时，由漏感存储的能量释放会产生很大的电压尖峰，容易造成器件的损坏、并且恶化效率，所以要尽量使变压器的漏感降到最小。这里采用的是“三明治”绕法，即先绕初级的一半，再绕次级，然后绕初级的另一半。这样初级将次级包在里面，可以增加耦合，减小漏感。另外采用多股线绞合的方法，在不同的截面，每一股线交换位置，有利于电流均衡;还可以增加线材的表面积，减小高频电阻，有利于降低温升。
3 0 0 w主功率高频变压器用0.4 9mm线径高强度漆包线，初级用3根绞线后先绕最里面的1 0圈，缠2圈胶带。接着绕中间的次级，用1 6根绞线后绕3圈，甩出中心抽头，再按原方向绕3圈，这样可在同一平面上绕完次级，只是中心抽头的来回两根线有些稍鼓出来一些，之后再缠2圈胶带。然后绕初级的后1 0圈，缠3圈胶带。绕制的时候应尽量使线均匀分布，制作完成后测量电感量为初级1.27mh;两个次级5 5μh。实践证明，这样绕制的变压器漏感很小，原、副边漏感只有几个μh。
(6)驱动变压器的绕制
驱动变压器采用罐型磁芯p23/18，罐型磁芯的特点是在所有类型的磁芯中具有最好的磁屏蔽效果，但是也具有最差的散热能力，因此比较适合用来制作小功率的驱动变压器。
驱动变压器用0.2mm线径，单根。先绕高桥开关管的20圈，中间绕原边的初级20圈，最后绕低桥开关管的20圈。这是另一种采用次级一初级一次级的绕法，同样可以有效地减小漏感。制好后测量电感量大概有1.3mh左右。
(7)扼流圈的计算
扼流圈是开关电源二次输出级主要功率器件，也是影响输出电压指标的重要因素，过大的电感量会使输出的动态特性变差，而过小的电感量又会使输出的纹波指标率差，因此必须选取合适的电感量。粗略地可按下面公式计算：
式中
p――输出功率;
f――开关频率;
i――输出电流。
则电感量为l=2*p/f*i2=2*3 00/(1 00*1 03*2 22)，≈1 2 μ h。
3.纹波抑制和ehi
纹波和e m i是开关电源中的重要指标，可以说是直接评价制作电源好坏的标志，因此纹波抑制和减小em i是每个电源制作者都要绞尽脑汁去解决的。下面是300w电源的一些解决方法。
(1)300w开关电源在输入级加入了emi电源噪声滤波器。电源emi噪声滤波器是一种无源低通滤波器，它无衰减地将交流电传输到电源，而大大衰减随交流电传入的e m i噪声;同时又能有效地抑制电源设备产生的em i噪声，阻止它们进入交流电网干扰其它电子设备，降低传导搔扰。
(2)在输出级加入了一级抑制纹波噪声的共模扼流圈。使流出的电流和流回的电流在一个小磁环上产生相反的感应磁通，使其相互抵消，极大地消除了输出的高频噪声。经过实验，未加共模扼流圈的输出电压用示波器会看到有20 0mvp-p的高频噪声，加入后只有十几mvp-p。
(3)其它的抑制措施。包括在输入级串接nt c防电网浪涌电阻、在功率开关管和输出整流二极管以及高频变压器初级接入rc吸收网络、使用超快恢复肖特基二极管等等，都可以有效地 减小电压尖峰、抑制高频噪声。
4.结束语
3 00w开关电源是一款实用的半桥式硬开关电源，其效率达到85%，输出纹波在交流2 20v输入满载(1 4 v、2 2 a)下只有80mvp-p，而且动态响应好，已在通信中继台上做过24小时老化实验，效果很好。其不足之处在于：由于是硬开关方式，效率没有软开关好。软开关的效率一般在90%以上。
开关电源设计中的一个难点在于主要核心器件的参数选择上，理论计算出来的数据在实际中并不一定就能带来好的效果。例如，主高频变压器的匝数比选择，作者曾经将匝数比调到18：14，结果每到两分钟开关管就烧毁了。所以，以理论为依据，从反复的实验中获得合理搭配将会提高效率并降低emi干扰。
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开关电源从上世纪50年代问世至今以体积小、效率高而广泛应用于计算机、通信装备等几乎所有的电子设备。其种类繁多、形式多样，发展趋势也朝着小体积、高效率、低成本的方向发展。这里介绍的3 00 w开关电源属于隔离型硬开关、半桥式开关电源，在较低电压(1 4v)和较大电流(2 2a)输出的条件下有很好的效率及输出指标，对核心器件(例如高频变压器)进行了合理的参数及绕制工艺设计。
高频变压器是开关电源中核心能量转换部件，它和普通工频变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片，而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁芯或铍莫合金等磁性材料，其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量[1]。
铁氧体磁芯有ec、ee、edt、ep、 epc、 ef、 ei、 pq、 rm、 p、lp等多种型号，应用于各种不同的要求，其中pq型磁芯具有磁屏蔽好的优点，减小了电磁干扰(emi)的传播，特别适用于开关电源变压器，在50w～1 000w范围内的效果较好。
2.用pq35/35制作300w半桥式变换器高频开关电源
2.1 300w(14v、22a)半桥式开关电源原理图
3 00 w(1 4 v、 2 2 a)半桥式开关电源原理图如图1所示。由原理图可看出，3 00 w半桥式开关电源主要由两只功率管irfp460lc、高频变压器pq35/35(pc40材质)、输出整流滤波电路、驱动电路、保护电路、控制电路(篇幅所限本图未给出)以及辅助电源等组成。
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2.2 300w半桥式开关电源高频变压器的参数设计与绕制
半桥式高频变压器的磁化特性工作在第一、三象限，磁通变化从一bm到+bm，属于对称式工作变压器，无需加气隙。
(1)估算pq35磁芯的功率容量
开关电源变压器功率容量计算式为[2]：
式中
pt--变压器的视在功率，对于半桥式pt=(1/ η+1.4 1 4)p。，其中取效率η=8 5%，po=300w， 则pt=777w;
ko--窗口的铜填充系数，取0.5：
kf--波形系数，方波时取4;
fw--开关频率，本例为1 00khz：
bw--磁芯工作磁通密度，一般取1/3饱和磁通密度，本例采用p c 4 0材质，饱和磁密g s=0.39t(1 00℃)， 取bw=0.1 3t：
kj--电流密度比例系数，一般取400：
x--常数，由所选磁芯确定，可取一0.1 2。
则a p=(7 7 7*1 04/0.5*4*1 00*1 03*0.1 3*4 00)1.14≈0.72cm4。
也可以由下式计算[3]：
式中
pt--变压器的标称输出功率,可取1.5po为450w;
η--变压器的效率,这里取85%：
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bm--磁芯的最大磁感应强度，取1 500gs：
δ--漆包线的电流密度，1 00khz频率可取6a/mm2：
km--窗口的铜填充系数，取0.5：
kc--磁芯填充系数，可取1.0。
则a p=4 5 0*1 06/(2*0.8 5*1 00*1 03*1 5 00*4*0.5*1)≈0.59cm4。
而查表p q 3 5/3 5的a p=4.3 c m4，远远满足功率容量要求，之所以选pq35也是为以后加大输出功率做准备。
(2)计算原边绕组匝数
原边绕组匝数可由下面公式计算：
式中
kf--波形系数，方波时取
pt--变压器的标称输出功 4;率，可取1.5po为4sow;
fw--开关频率，本例为η1--变压器的效率，这里 1ookh z：
bw--磁芯工作磁通密度，取0.1 3t;
ae-- 磁芯有效面积，pq35/35为196mm2;
v--变压器原边电压，本例中v=250*1.3/2=1 62.5v。
则np=1 6 2.5/4*1 00*1 08*0.1 3*1 9 6*1 0-6≈ 1 5.9，取整1 6匝。后来经过实验，取20匝比较合适。
(3)计算原、副边绕组匝数比及副边绕组
可按下式计算半桥式高频变压器的原、副边匝数比：
式中
np--原边绕组匝数
ns--副边绕组匝数
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90*1.3=247v。
v o p--变压器应输出电压，为电源输出电压vo、整流二级管正向压降vdf和滤波电感直流压降v l三项之和除以占空比d，即vop=(vo+vdf十vl)/d。在本例中vo=14v、v df=0.7v、vl。=0.2v、d=0.8，则 vop=(1 4+0.7+0.2)/0.8=18.625v
则np/ns=1/2*247/18.625≈6.6。
副边绕组ns=np/6.6=20/6.6≈ 3匝，在实验中2 0：3的匝比取得了很好的效果。
(4)线径和根数的选取
原边绕组电流为i p=2 p o/vsη;
po=vop*22=14.9*22=327w;
vsη=vin min*η=247*98%=242.0 6，其中η为变压器的效率;
则 i p=2*3 2 7/2 4 2.0.6≈2.7a。
考虑趋肤效应，在l00khzl00℃下穿透深度为△=7.6 5/f1/2≈0.242mm[4]，2△=0.484mm， 应选择直径不超过0.484mm的漆包线。考虑有漆的厚度，实际中选取了0.49mm
的高强度漆包线。
取电流密度j=6a/mm2，则单根o.49mm线径漆包线可通过电流为：
i=jπd2/4=6*3.1 4*0.49*0.49/4≈1.1 3a
则初级可用3根并联。次级为i p*np/n s/i≈1 6根。因为次级的电流比较大(2 2a)，也可用铜箔绕制。
(5)高频变压器的绕制
高频变压器的绕制在制作开关电源过程中是很复杂的，当功率管由导通转为关断时，由漏感存储的能量释放会产生很大的电压尖峰，容易造成器件的损坏、并且恶化效率，所以要尽量使变压器的漏感降到最小。这里采用的是“三明治”绕法，即先绕初级的一半，再绕次级，然后绕初级的另一半。这样初级将次级包在里面，可以增加耦合，减小漏感。另外采用多股线绞合的方法，在不同的截面，每一股线交换位置，有利于电流均衡;还可以增加线材的表面积，减小高频电阻，有利于降低温升。
3 0 0 w主功率高频变压器用0.4 9mm线径高强度漆包线，初级用3根绞线后先绕最里面的1 0圈，缠2圈胶带。接着绕中间的次级，用1 6根绞线后绕3圈，甩出中心抽头，再按原方向绕3圈，这样可在同一平面上绕完次级，只是中心抽头的来回两根线有些稍鼓出来一些，之后再缠2圈胶带。然后绕初级的后1 0圈，缠3圈胶带。绕制的时候应尽量使线均匀分布，制作完成后测量电感量为初级1.27mh;两个次级5 5μh。实践证明，这样绕制的变压器漏感很小，原、副边漏感只有几个μh。
(6)驱动变压器的绕制
驱动变压器采用罐型磁芯p23/18，罐型磁芯的特点是在所有类型的磁芯中具有最好的磁屏蔽效果，但是也具有最差的散热能力，因此比较适合用来制作小功率的驱动变压器。
驱动变压器用0.2mm线径，单根。先绕高桥开关管的20圈，中间绕原边的初级20圈，最后绕低桥开关管的20圈。这是另一种采用次级一初级一次级的绕法，同样可以有效地减小漏感。制好后测量电感量大概有1.3mh左右。
(7)扼流圈的计算
扼流圈是开关电源二次输出级主要功率器件，也是影响输出电压指标的重要因素，过大的电感量会使输出的动态特性变差，而过小的电感量又会使输出的纹波指标率差，因此必须选取合适的电感量。粗略地可按下面公式计算：
式中
p――输出功率;
f――开关频率;
i――输出电流。
则电感量为l=2*p/f*i2=2*3 00/(1 00*1 03*2 22)，≈1 2 μ h。
3.纹波抑制和ehi
纹波和e m i是开关电源中的重要指标，可以说是直接评价制作电源好坏的标志，因此纹波抑制和减小em i是每个电源制作者都要绞尽脑汁去解决的。下面是300w电源的一些解决方法。
(1)300w开关电源在输入级加入了emi电源噪声滤波器。电源emi噪声滤波器是一种无源低通滤波器，它无衰减地将交流电传输到电源，而大大衰减随交流电传入的e m i噪声;同时又能有效地抑制电源设备产生的em i噪声，阻止它们进入交流电网干扰其它电子设备，降低传导搔扰。
(2)在输出级加入了一级抑制纹波噪声的共模扼流圈。使流出的电流和流回的电流在一个小磁环上产生相反的感应磁通，使其相互抵消，极大地消除了输出的高频噪声。经过实验，未加共模扼流圈的输出电压用示波器会看到有20 0mvp-p的高频噪声，加入后只有十几mvp-p。
(3)其它的抑制措施。包括在输入级串接nt c防电网浪涌电阻、在功率开关管和输出整流二极管以及高频变压器初级接入rc吸收网络、使用超快恢复肖特基二极管等等，都可以有效地 减小电压尖峰、抑制高频噪声。
4.结束语
3 00w开关电源是一款实用的半桥式硬开关电源，其效率达到85%，输出纹波在交流2 20v输入满载(1 4 v、2 2 a)下只有80mvp-p，而且动态响应好，已在通信中继台上做过24小时老化实验，效果很好。其不足之处在于：由于是硬开关方式，效率没有软开关好。软开关的效率一般在90%以上。
开关电源设计中的一个难点在于主要核心器件的参数选择上，理论计算出来的数据在实际中并不一定就能带来好的效果。例如，主高频变压器的匝数比选择，作者曾经将匝数比调到18：14，结果每到两分钟开关管就烧毁了。所以，以理论为依据，从反复的实验中获得合理搭配将会提高效率并降低emi干扰。
机械式PTZ摄像机和PTZ网络快球的主要区别是什么
MOSFET发生EOS的失效模式有哪些？如何区分是什么原因失效的？
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