开关电源适配器的设计与制作要从主电路开始,其中功率变换电路是开关电源适配器的核心。功率变换电路的结构也称开关电源拓扑结构,该结构有多种类型。拓扑结构也决定了与之配套的PWM控制器和输出整流/滤波电路。之前的文章有讲解了电路结构和控制电路,本篇文章将介绍开关电源适配器的辅助电路、电路原理图整理和高频变压制作。
1. 确定辅助电路
开关电源适配器通常由输入抗电磁干扰滤波器、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路等组成。其中功率变换电路是开关电源适配器的主要电路,对开关电源适配器的性能起关键作用。根据不同的拓扑结构,开关电源适配器还需要一些辅助电路才能正常工作。有些辅助电路可能包含在主要电路环节当中。开关电源适配器常见的辅助电路如下:
a) 电压反馈电路。
b) 尖峰电压吸收电路。
c) 输入滤波电路。
d) 整流滤波电路。
e) 输出过电压保护电路。
f) 输出过电流保护电路。
g) 尖峰电流抑制电路。
其中电压反馈电路是各类开关电源适配器都具有的辅助电路。尖峰电压吸收电路是反激式开关电源适配器必需的辅助电路。输入滤波电路通常只在AC/DC变换器中出现。整流滤波电路包括工频整流滤波和高频整流滤波。自激式振荡型本身就具有输出过电流保护特性。有时还需要开关电源适配器具有防雷击保护电路,输入过电压、欠电压保护电路等。设计开发人员可以根据设计要求进行适当的选取。
2. 整理电路原理图
开关电源适配器的拓扑结构、控制电路和辅助电路确定以后,就可以整理、绘制电路原理图。以便确定所有元器件的型号、参数、形状尺寸及数量,完成个元件引脚之间的电气连接。电路原理图应按照信号流程和功能划分不同区域,力求布线清晰、整洁、密度分配合理、信号流向清楚。然后确定所有元器件的封装,以便电路板设计时的元件布局与布线。
3. 制作高频变压器
高频变压器的设计是制作开关电源适配器的技术关键。在半桥式、全桥式和推挽式开关电源中,高频变压器通过的是交变的电流,不存在直流磁化问题,设计方法和工频变压器基本相同,只是采用的磁芯材料不同,设计起来相对比较简单。正激式开关电源的高频变压器与全桥式有相同之处,但存在直流磁化问题,设计起来要复杂一些。因此有时会在高频变压器中增加去磁绕组,以便降低设计难度。反激式开关电源在小功率开关电源中应用最为普遍,但其高频变压器的设计也最为复杂。
反激式开关电源的高频变压器相当与一只储能电感,在固定的开关频率下,其储存的能量大小直接影响开关电源的输出功率。在设计反激式开关电源的高频变压器时,需要以下几个步骤:
a) 计算一次电感量Lp.
b) 选择磁芯与骨架。
c) 计算一次绕组匝数Np。
d) 计算二次绕组匝数Ns。
e) 计算气隙长度。
f) 检验 磁通密度Bm。
首先要根据一次绕组的峰值电流Ip和开关电源的输出功率Po计算一次电感量Lp。然后是选择磁芯与骨架并确定相关参数。接下来依据选定的磁芯截面积和磁路长度等参数计算一次匝数Np。在根据一次和二次的变换比值计算二次绕组匝数Ns。为了防止高频变压器出现磁饱和,通常要在磁芯中加入空气间隙,还需要根据一次电感量Lp和所选磁芯参数计算气隙长度。 还要根据峰值电流Ip、一次绕组匝数Np和磁芯参数计算 磁通密度Bm,检验是否满足磁芯材料要求。在部分条件不能满足时,要重新选择磁芯与骨架,进行计算和检验,直到满足设计要求为止。