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FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

FLY-变换器目前我了解的2类IC设计模式:PI-集成MOS的开关方式;ON/O2等控制器+MOS分离的PWM工作模式进行分析!

基本的反激变换器原理图如下所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率<75W~的开关电源应用场合,FLY变换器是最常用的一种拓扑结构。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点;接下来我将FLY变换器的关键参数的设计&工作模式进行说明!

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

我们先来确定系统的输入输出参数,进行开关电源关键参数的分析设计;

关键参数我们来分析FLY 的反射电压VOR 与 工作模式KP或 KRF/KRP的设计!

举例说明:先进行关键参数分析

上面原理图设计要求:90VAC-265VAC的全电压范围;

对应的公式计算应用 100VRMS–Min 来计算输入电解电容的纹波电流

输出规格:

12V-2A /2.5A & 110V-0.42A/0.5A;

1.对高效率要求的VOR 设计参考(我的设计经验)

对于85VAC-265VAC(通用)输入电压范围,VOR推荐:80V-110V最佳范围

对于165VAC-265VAC(国内)输入电压范围,VOR推荐:100V-120V最佳范围

分析如下:

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

变压器性能相关参数设计分析:

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

使用基本计算公式;我们将计算公式进行EXCEL自动计算,从而对比参数设计!

计算参考如下:

A.VRO=80V   LP=280uH时   NP=26圈  

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

B.VRO=90V   LP=280uH时   NP=30圈

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

对比VRO=80V与 VRO=90V 时其变压器的原边圈数有差异;VRO=80V时有最小的圈数;其漏感最小有好的交叉调整率和高的效率!(实践测试一致OK!)

2.工作模式分析KP/KRP

对于关键参数FLY反激变压器,KP=KRP作为反激变压器中的灵魂参数,该如何对其进行取舍,值得我们深入探讨!

工作模式:即电感电流工作状态,一般分DCM、CCM、BCM三种(定性分析)。

KP/KRP:描述变压器/电感电流工作状态的一个量(定量计算);实际意义;

只要原边电感电流处于连续状态,都称之为CCM模式。而深度CCM模式(较小纹波电流)与浅度CCM模式(较大纹波电流)相比较,电感量相差好几倍,而浅度CCM模式与BCM、DCM模式的各种性能、特点可能更为相似。显然需要一个合适的参数来描述所有电感电流的工作状态。通过设置KP/KRP值,可以把变压器的电感电流状态与磁性材料、环路特性等紧密联系起来。我们也可以更加合理的评估产品设计方案!!

A.对于集成MOS的PI公司系统对KP的定义

连续模式CCM:如果在次级电流下降到零之前MOSFET开通,则电源工作在连续工作模式。

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

非连续工作模式(DCM):在非连续工作模式;当MOSFET开通时,次级电流为零。

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

B.对于分离的PWM控制的ON/O2等公司系统对KRP=KRF的定义

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

C.KP=KRP=KRF的工作模式分析

KRP较大时(特别是DCM模式),磁芯损耗一般较大(NP较小),气隙较小(无气隙要求,仅满足LP值),LP较小,漏感会较大,纹波电流较大(电流有效值较高);

KRP较小时(特别是深度CCM模式),磁芯损耗一般较小(NP较大),气隙较大(有气隙要求,平衡直流磁通),LP较大,漏感会较小,纹波电流较小(电流有效值较低);

注:KRP较小时,气隙也是可以做到较小,但这需要更大的磁芯和技巧;

KRP较大时,磁芯损耗也是可以做的较小,但这同样需要更大的磁芯和技巧;注意:相同磁芯、开关频率,DMAX,DCM模式比CCM模式下的输出功率更大;其实这是不完全对的(至少不符合实际,因为需要限制DMAX,导致空载容易异常),原因在于DCM模式下磁芯损耗会超出你的想象(电应力也会如此);DCM模式下,如果想大幅度降低磁芯损耗,唯一的方法是增大NP,而过大的NP会与LP形成现实冲突(DCM模式下,LP一般较小),造成磁芯气隙超出你的想象(漏感也会如此);有没有方法解决这种现实矛盾?答案应该是肯定的,即选择合适的磁芯结构,如长宽比小且AE大的磁芯(PQ系列),或许会比长宽比大且AE小的磁芯(EER、EEL系列)更加有优势。

(在DCM模式下,如果限制DMAX,则会比CCM模式下输出更大的功率)

KRP较大时,增大DMAX可以在一定程度上降低原边的纹波电流及有效电流值,但是次级的电流应力会更加恶劣,这种方法(增大/减小DMAX)只适合平衡初次级的电压、电流应力,应该不是一种很好的设计手段。

KRP较大时,空载启动困难,特别是低压大电流输出,且空载无跳频(宽范围AC输入时尤其如此,特别是超低压输出);

KRP较小时,开关损耗较大,特别是高压小电流输出,且开关频率较高(窄范围AC输入时尤其如此,如100V0.5A,特别是高压输出);

注:非低压大电流产品(如12V5A),KRP较大时,DMAX不能设计的过小,否则空载也会启动困难,且空载无跳频(宽范围AC输入时尤其如此);

KRP较大时,动态响应较快,环路补偿比较容易(特别是采用电流模式控制);

KRP较小时,动态响应较慢,环路补偿相对困难(特别是采用电压模式控制);

KRP较大时,电感电流斜率较急,CS采样端对噪声影响不明显;

KRP较小时,电感电流斜率较缓,CS采样端可能会受到噪声影响;

注:电流模式芯片通常会比电压模式控制芯片的性能更加优异,但并非所有情况下都是如此。如果输入电压较高,输出功率较小,电流模式芯片可能无法检测CS电压,低压大电流输出产品在空载时也会出现这种情况(对宽范围AC输入,低压大电流输出〈甚至非大电流输出产品〉,如果KRP较大,DMAX又较小,空载极有可能出问题,或许轻载降频、提高VCC都不一定有效,但是采用某些电压模式控制芯片,可能会避免此问题)。低压输入,输出功率很大时,电感电流斜率较缓,CS采样电压(电阻/互感器)可能很容易受到干扰,如果负载变化较大,也可能会导致CS端采样异常。也不是所有电流模式芯片均比电压模式芯片要好,这需要综合考虑各种因素,包括外围电路的复杂程度。

超高压输入时,KRP应该设置较大(最好是QR模式),开关损耗会较低;

超低压输入时,KRP应该设置较小(最好是深度CCM模式),漏感会较低;

从开关电源的EMI的角度来讲在我们产品工作实际负载状态下;我推荐在DCM工作模式;这样次级输出的整流二极管会工作在零电流开关模式;降低了输出二极管的强电场效应!对应的KRP也会相对大点!

推荐KP=KRP选取法则

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

对于FLY的关键参数的设计就是先设计好电气参数,如初次级的电压、电流应力,评估各种损耗温升,考虑到PWM芯片、MOS、二极管各种的特点(先确定好),让FLY-反激变换器工作在最佳的工作状态。根据这个最佳的电气参数,我们来设计变压器参数,如NP、NS、气隙等等,最后通过更换磁芯或是微调变压器的参数结构设计,让整个变换器都工作在最合理的状态。参考上面的VRO=80V和VRO=90V的EXCEL的计算表格参数;

KRP/KRP/KP对应的工作模式,我再提供分析资料可参考;

如下条件:设置BCM模式下的LP=1,其他工作条件不变,则:

(磁芯、匝数比不变,否则无法完成对此;NP的变化不会改变DMAX、电压、电流应力,NP主要是影响磁芯参数设计)

FLY反激变换器的 关键参数VRO&KRP工作模式分析

工作Data分析:

1.KRP从1.00下降至0.66时,峰值电流的下降非常明显,当KRP从0.66向0.33下降时,峰值电流的下降幅度非常有限;

2.KRP从1.00下降至0.33时,纹波电流的下降一直非常明显,与LP的变化趋势刚好相反(I=V*TON/LP);

3.KRP从1.00下降至0.66时,有效电流的下降非常明显,当KRP从0.66向0.33下降时,有效电流的下降幅度非常有限;

4.KRP从1.00下降至0.33时,BDC急剧增大,气隙的大小与磁性元件的设计有关,由于对比中的NP会有所不同,所以气隙、BDC、BAC的变化趋势仅仅是起有限的参考作用;

A.外加的伏秒值、匝数、磁芯面积决定了交变磁通量(BAC);

VTon(n)+Np+Ae→△B

B.直流平均电流值、匝数、磁路长度决定了直流磁场强度(BDC);

Idc+Np+Le(lg)→Hdc

C.加气隙和不加气隙,磁芯饱和磁感应强度是一样的;但加气隙的磁芯能显著减小剩磁Br,另外,加气隙可以承受大的多的直流电流;

变压器铁氧体磁芯的几个计算公式记得参考:(以下均为常规符号及单位)

①  磁芯气隙: lg=(uo*NP^2*Ae)/Lp

②  交流磁感应强度: ΔBac=(Vdcmin*Ton)/(NP*Ae)

③  直流磁感应强度:Bdc=u*H=(uo*NP*Ip^2)/(0.001*lg)

④  磁感应强度最大值:Bmax=ΔBac/2 + Bdc

D.KRP从1.00下降至0.33时,由于BDC、LP急剧增大,所以NP也会较大,间接导致导致BAC较小。

E.KRP从1.00下降至0.33时,LP的变化范围非常有意思,注意是整数倍,这为我们评估变压器的设计提供了极好的参考依据,我们可以一开始就设计在临界模式,并且将临界LP作为参考数值。需要明白,在保持匝数比(DMAX)不变的情况下,产品中的各种电压应力不会有任何改变(DMAX决定了电压应力,也不能够大幅度改变,只适合微调)。我们可以通过研究KRP(LP)变化时,各种电流应力与磁芯参数的变化趋势,最终找出最优设计。

F.采用此方法设计变压器时,建议采用V*TON,而不是I?*LP,因为DMAX(决定TON)几乎是固定量变化不大,而LP可以是变化量(由KRP决定),变化量非常大,优化分析时也比较简单;进行KRP及变压器设计时,需要紧密联系各种参数(电压、电流应力,磁性参数),然后进行系统分析。我推荐大家采用大公司的设计软件进行辅助计算分析,手工计算极易出错、慢、且无法对全局进行优化分析。

G.关于KP=KRP的相关介绍,可以参考PI的前面的相关设计资料;关于KRF的相关介绍,可以参考ON/O2的相关设计资料;我自己也编辑了多种IC及电源结构的EXCEL设计软件;到时提供给大家学习参考!

对于FLY的设计可以直接引用一些PI的资料,特别是设计流程、软件操作、芯片资料、包括部分设计思路等等都非常的简单易学!但并不代表PI的设计理念比其他公司更优秀,多年的PI产品的设计应用对我更熟悉些和掌控,而且这些资料都有中文版本,内容详实,方便初学者追根溯源。

PI的变压器设计软件其实是非常不错的入门工具,熟练了也可以把它用来设计其它类型的芯片。现在又可以用来设计PFC、正激、LLC等拓扑,已经非常强大了,其网站上都可以方便下载使用!

以上就是FLY反激电源系统的关键参数和工作模式KRP的分析,如果详细分析起来还有更多的内容,如PFC,BUCK,BOOST的输出电感等,这些内容都可用KRP来描述,作为不同的应用时,侧重点也有所不同;我总结有以下几类的设计技巧后期可以推荐给大家参考!

开关电源设计类

1.《开关电源反激(FLY)变压器的快速设计技巧》

2.《开关电源LLC半桥谐振变换器的快速设计技巧》

3.《开关电源BUCK变换器-电感L的快速设计技巧》

4.《开关电源BOOST变换器-电感L的快速设计技巧》

同时细分类的EMC的分析和设计细节也已经形成体系有机会和大家进行实践见面!

电子产品:电磁兼容(EMC)类

1.《电子产品:EFT(快速脉冲群)的分析与设计》

2.《电子产品:Surge(雷击浪涌)的分析与设计》

或者是《开关电源产品:Surge(雷击浪涌)的分析与设计》

3.《电子产品:ESD( 静电放电)的分析与设计》

4.《电子产品:EMI-CE(传导)的分析与设计》

5.《电子产品:EMI-RE(辐射)的分析与设计》

6.《开关电源:EMI-滤波器的分析与设计》

7.《开关电源:EMI-RE(辐射)的分析与设计》

8. 《开关电源:FLY-PCB的分析与设计》

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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