基于FPS的离线反激式转换器的分步设计

电子设计 2021-05-21 3622

描述

本应用笔记介绍了使用飞兆半导体电源开关（FPS）的离线反激式转换器的分步设计程序和指南。使用包含本文中使用的所有方程式的FPSdesign辅助软件，可以使设计过程更加高效。通过构建和测试的转换器原型验证了设计过程的有效性。

介绍

图1显示了使用FPS的基本离线反激转换器的原理图，该转换器还用作本文描述的设计过程的参考电路。由于MOSFET和PWM控制器以及各种附加电路都集成在一个封装中，因此SMPS的设计比分立MOSFET和PWM控制器解决方案容易得多。本文提供了基于FPS的离线反激式转换器的分步设计过程，其中包括设计变压器和输出滤波器，选择组件并闭合反馈环路。本文描述的设计过程足够通用，可以应用于各种应用。本文介绍的设计过程也可通过软件设计工具（FPS设计助手）实现，以使工程师能够在短时间内完成SMPS设计。在附录中，提供了使用软件工具的分步设计示例。设计实例中的实验反激转换器已经构建并经过测试，以证明设计过程的有效性。

变压器

使用FPS的基本离线反激转换器

分步设计程序

在本节中，将使用图1的示意图作为参考来介绍设计过程。通常，大多数FPS器件从引脚1到引脚4具有相同的引脚配置，如图1所示。详细的设计过程如下：

1.步骤1：定义系统规格。

线电压范围（Vline（最小值）和Vline（最大值））。

线路频率（fL）。

最大输出功率（Po）。

估计效率（Eff）：需要估计功率转换效率以计算最大输入功率。如果没有参考数据，则对于低压输出应用，将Eff = 0.7〜0.75设置；对于高压输出应用，将Eff = 0.8〜0.85设置

2.步骤2：确定直流母线电容器（CDC）和直流母线电压范围。

对于通用输入范围（85-265 Vrms），通常将直流链路电容器选择为每瓦输入功率2-3uF，对于欧洲输入范围（195 V-265 Vrms），选择每瓦输入功率1 uF。

变压器

直流母线电压波形。

3.步骤3：确定最大占空比（Dmax）。
反激转换器具有两种工作模式：连续传导模式（CCM）和不连续传导模式（DCM）。CCM和DCM分别具有各自的优点和缺点。通常，DCM为整流二极管提供了更好的开关条件，因为这些二极管正好在变为反向偏置之前就以零电流工作。使用DCM可以减小变压器的尺寸，因为与CCM相比，其平均能量存储量较低。但是，DCM会固有地导致高RMS电流，这会增加MOSFET的传导损耗和输出电容器上的电流应力。因此，通常建议将DCM用于高压和小电流输出应用。同时，CCM是低压和大电流输出应用的首选。

变压器

DCM反激式转换器的电流波形。

对于CCM反激式转换器，设计过程很简单，因为输入至输出电压增益仅取决于占空比。同时，DCM反激式转换器的输入至输出电压增益不仅取决于占空比，还取决于负载条件，这使电路设计有些复杂。但是，通常公认的是，DCM反激式转换器设计为以最小输入电压和最大负载在DCM和CCM的边界工作，如图3所示。这使MOSFET的导通损耗最小。因此，在这种情况下，我们可以使用与CCM反激式转换器相同的电压增益公式，以最大的负载和最小的输入电压

变压器

输出电压反射到初级。

4.步骤4：确定变压器的初级侧电感（Lm）。

随着负载条件和输入电压的变化，操作会在CCM和DCM之间变化。对于这两种工作模式，设计变压器一次侧电感（Lm）的最坏情况是满负载和最小输入电压条件。

5.步骤5：考虑输入功率和峰值漏极电流，选择适当的FPS。

利用由此产生的MOSFET的最大峰值漏极电流（Ids（peak）），选择适当的FPS，其逐脉冲电流限制水平I（over）高于Ids（peak）。由于FPS的I（over）公差为±12％，因此在选择合适的FPS器件时应留有余地。软件设计工具中还包括具有合适额定功率的FPS系列

6.步骤6：确定正确的磁芯和最小的初级匝数。

实际上，由于变量太多，最初选择核必定是粗略的。选择合适的磁芯的一种方法是参考制造商的磁芯选择指南。如果没有适当的参考，请使用表1作为起点。表1中推荐的内核典型用于通用输入范围，67 kHz开关频率和单输出应用。当输入电压范围为195-265 Vac或开关频率高于67kHz时，可以使用较小的磁芯。对于具有多个输出的应用，通常应使用比表中建议的更大的内核。

编辑：hfy

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