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      典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

      作者: 時間:2012-05-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
      流來運算一次側(cè)和二次側(cè)電感。

        第叁,運算一次側(cè)電感,以保持盡可能高的右半平面零點(RHP),因而大幅地提高閉環(huán)穿越頻率。

        實際上,第一個標準只用于特殊情況,而選擇的磁化電感可作為變壓器尺寸、峰值電流和RHP零點之間的最佳折衷。

        為了確定二次側(cè)最大紋波電流來計算一次側(cè)和二次側(cè)電感,可用以下公式計算出二次側(cè)電感()和一次側(cè)電感():

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

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        公式中是開關(guān)頻率,是允許的二次側(cè)紋波電流,通常設(shè)置在約為輸出電流有效值的30-50%:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

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        那么,等效一次側(cè)電感可從以下公式獲得:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

       ?。?0)

        如前所述,一次側(cè)電感和佔空比會影響右半平面零點(RHP)。RHP增加了閉環(huán)控制特性的相位滯后,迫使最大穿越頻率不超過RHP頻率的1/4。

        RHP是佔空比、負載和電感的函數(shù),可引發(fā)和增加迴路增益,同時降低迴路相位裕度。通常的做法是確定最差情況的RHPZ頻率,并設(shè)置迴路單位增益頻率低于RHPZ的叁分之一。

        在返馳式拓樸結(jié)構(gòu)中,運算RHPZ的公式是:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

       ?。?1)

        可以選擇一次側(cè)電感來削弱這種不良效果。

        圖3的曲線顯示一次側(cè)電感對一次側(cè)和二次側(cè)電流和RHP零點的影響:隨著電感的增加紋波電流會減少,因此輸入/輸出紋波電壓和電容器大小也可能減少。但增加的電感增加了變壓器一次側(cè)二次側(cè)繞組數(shù),同時減少了RHP零點。

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

        圖3:典型返馳式設(shè)計一次側(cè)、二次側(cè)紋波電流、RHP零點與一次側(cè)電感的關(guān)係。

        一般建議不應(yīng)使用過大的電感,以免影響整個系統(tǒng)的整體閉環(huán)性能和尺寸,以及返馳式變壓器的損耗。上述圖形和公式只在連續(xù)導通模式下的返馳式執(zhí)行才有效。

        選擇功率開關(guān)MOSFET并計算其損耗

        MOSFET的選擇基于最大應(yīng)力電壓、最大峰值輸入電流、總功率損耗、最大允許工作溫度,以及驅(qū)動器的電流驅(qū)動能力。MOSFET的源汲擊穿(Vds)必須大于:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

       ?。?2)

        MOSFET的連續(xù)漏電流(Id)必須大于一次側(cè)峰值電流(公式15)。

        除了最大額定電壓和最大額定電流,MOSFET的其他叁個重要參數(shù)是Rds(on)、閘極閾值電壓和閘極電容器。

        開關(guān)MOSFET的損耗有叁種類型,即導通損耗、開關(guān)損耗和閘極電荷損耗:

        導通損耗等于損耗,因此在導通狀態(tài)下源極和汲極之間的總電阻要盡可能最低。

        開關(guān)損耗等于:開關(guān)時間*Vds*I*頻率。開關(guān)時間、上升時間和下降時間是MOSFET閘汲極米勒電荷Qgd、驅(qū)動器內(nèi)部電阻和閾值電壓的函數(shù),最小閘極電壓Vgs(th)有助于電流通過MOSFET的漏源極。

        閘極電荷損耗是由閘極電容器充電,以及隨后的每個週期對地放電引起的。閘極電荷損耗等于:頻率* Qg(tot)* Vdr

        不幸的是,電阻最低的元件往往有較高的閘極電容器。

        開關(guān)損耗也會受閘極電容器的影響。如果閘極驅(qū)動器對大容量電容器充電,則MOSFET需要時間進行線性區(qū)提升,則損耗增加。上升時間越快,開關(guān)損耗越低。不幸的是,這將導致高頻噪音。

        導通損耗不取決于頻率,它還取決于和一次側(cè)RMS電流的平方:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

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        在連續(xù)導通模式下,返馳式執(zhí)行的一次側(cè)電流看來像圖4上部所示的梯形波形。

        Ib等于一次側(cè)峰值電流:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

        Ia是從以上的公式(5)得出的平均電流,減去一半ΔIp電流為:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

       ?。?6)

        那么開關(guān)管的RMS電流可從下式得到:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

        (17)

        或其迅速接近:

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       ?。?8)

        開關(guān)損耗()取決于轉(zhuǎn)換期間的電壓和電流、開關(guān)頻率和開關(guān)時間,如圖4所示。

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

        圖4:換向期間MOSFET兩端的電流和電壓波形。

        在導通期間,MOSFET兩端的電壓為輸入電壓加反映在一次側(cè)的輸出電壓,電流等于平均中間最高電流減去一半ΔIp:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

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        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

       ?。?0)

        在關(guān)閉過程中,MOSFET兩端的電壓為輸入電壓加反映在一次側(cè)繞組的輸出電壓,再加上用于箝位的齊納箝位電壓和吸收漏電感。開關(guān)管切斷電流為一次側(cè)峰值電流。

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

       ?。?1)

        開關(guān)時間取決于最大閘極驅(qū)動電流和MOSFET的總閘極電荷,MOSFET寄生電容器是調(diào)節(jié)MOSFET開關(guān)時間的最重要的參數(shù)。電容器Cgs和Cgd取決于元件的幾何尺寸并與源極電壓成反比。

        通常MOSFET製造商沒有直接提供這些電容器值,但是可以從Ciss、Coss和Crss值獲得。

        導通開關(guān)時間可以使用下列公式用閘極電荷來估計:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

       ?。?2)

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

       ?。?3)

        公式中:

        Qgd是閘漏極電荷

        Qgs是閘源極電荷

        是當驅(qū)動電壓被拉升至驅(qū)動電壓時的導通時間驅(qū)動電阻

        是當驅(qū)動電壓被下拉至接地電壓時的內(nèi)部驅(qū)動電阻

        是閘源極閾值電壓(MOSFET開始導通的閘極電壓)

        緩衝器:

        漏電感可以被看作是與變壓器的一次側(cè)電感串聯(lián)的寄生電感,其一次側(cè)電感的一部份沒有與二次側(cè)電感相互耦合。當開關(guān)MOSFET關(guān)閉時,儲存在一次側(cè)電感中的能量透過正向偏置二極體流動到二次側(cè)和負載。儲存在漏電感中的能量則變成了開關(guān)接腳(MOSFET汲極)上巨大的電壓尖峰。漏電感可以透過短路二次側(cè)繞組來進行測量,而一次側(cè)電感的測量通常由變壓器製造商給出。

        耗散漏電感能量的一種常用方法是透過一個與一次側(cè)繞組并聯(lián)的齊納二極體來阻斷與之串聯(lián)的二極體實現(xiàn)的,如圖5所示。

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

        (圖5:齊納箝位電路)

        漏電感能量必須透過一個外部箝位緩衝器來耗散:

        典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

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        齊納電壓應(yīng)低于開關(guān)MOSFET的最大漏源電壓減去最大輸入電壓,但要高到足以在很短的時間內(nèi)耗散這一能量才可以。

        齊納



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