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AC-DC電源模塊是指將交流電變換為直流電的轉(zhuǎn)換器,功率流向可以是雙向的。接線方式分為半波和全波倆種電路,按相數(shù)分為單相、三相和多相。
現(xiàn)在以一種85~265VAC、50Hz輸入的ACDC電源模塊設(shè)計(jì)作介紹,交流整流成直流最簡(jiǎn)單的方法是整流橋整流,50Hz交流電經(jīng)全波整流后變成脈動(dòng)直流電壓,再通過輸入濾波電容得到直流。
1、整流橋的選擇
整流橋的主要參數(shù)有反向峰值電壓VRR、正向壓降VF、平均整流電流IF、最大反向漏電流IRM、正向峰值浪涌電流IFSM。整流橋的反向擊穿電壓VRM應(yīng)滿足VRM>1.25*1.4Vinmax,額定的有效值電流IF應(yīng)該≥3IRMS。IRMS的公式如下:IRMS= Is= P/η/Vs=2.5/0.75/110=30.3 mA。
2、輸入濾波電容器的選擇
鋁電解電容器的額定電壓(1.3倍)作為電容器的浪涌電壓,當(dāng)工作電壓高于160V時(shí),額定工作電壓+50V作為浪涌電壓,這是生產(chǎn)廠家允許可以在短時(shí)間內(nèi)承受該電壓。當(dāng)電容器處于浪涌電壓時(shí),電流較大,長(zhǎng)時(shí)間如此會(huì)爆開, 所以鋁電容器應(yīng)該選用高額定電壓的,實(shí)際工作電壓為標(biāo)準(zhǔn)額定電壓的70~80%為宜。
3、功率變壓器的設(shè)計(jì)
考慮到輸出功率很小和體積限制。選擇體積盡可能小的鐵氧體磁芯來(lái)完成功率的轉(zhuǎn)換。
(1)計(jì)算ton
原邊繞組開關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)在最低輸出電壓和最大負(fù)載時(shí)發(fā)生。假設(shè)D=ton/Ts=0.45,則有Ts=1/f=1*106/66*103=15.2 μs,ton =D* Ts =0.45*15.2=6.84 μs3,假設(shè)電源在最低電壓時(shí)輸出負(fù)載(Max),計(jì)算輸入端的直流電壓,對(duì)于單項(xiàng)交流整流用電容濾波,直流電壓不會(huì)超過交流電壓有效值的1.4倍和小于1.2倍。假設(shè)1.3倍,公式如Vs=85*1.3=110 V。
(2)選擇工作時(shí)的磁通密度值
假設(shè)中心柱磁路的有效面積為AE=12.5mm2,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在100℃時(shí)是390mT,則65%的飽和值為△BAC=390*0.65=250 MT。
(3)計(jì)算原邊匝數(shù)
變壓器輸入電壓是一個(gè)方波,導(dǎo)通期間的伏秒值和原邊匝數(shù)關(guān)系為原邊匝數(shù)(Np)等于原邊直流電壓(Vs) *導(dǎo)通時(shí)間(ton)除于(△BAC * 磁芯有效面積(AE)),公式為:Np=Vs *ton/ (△BAC * AE ),即:110*6.84/(0.25*12.5)=240匝。
(4)原邊電感量的計(jì)算
假設(shè)在最大占空比時(shí),當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)原邊電流為Ip1,關(guān)斷時(shí)原邊電流上升到Ip2,若Ip1為0,則說(shuō)明變換器工作于斷續(xù)模式,否則工作于連續(xù)模式。電源工作設(shè)計(jì)為連續(xù)模式可以使開關(guān)管、線路的損耗都較小,還可以減輕輸入輸出電容的工作。由能量守恒有下式:1/2*(Ip1+Ip2)*D*Vs=P/η連續(xù)模式,令Ip2=3Ip1,可以求出變換器的原邊電流,由此得到原邊電感量為L(zhǎng)p= D*Vs/(f*ΔIp),ΔIP=Ip2-Ip1=2Ip1。
4、輸出整流濾波
因?yàn)檩敵鲭妷菏?/span>DC 5V,需要變壓器變換過來(lái)的低壓方波整流成直流,然后用鋁電解電容儲(chǔ)能濾波。
整流的工作頻率等于功率開關(guān)管的開關(guān)頻率,需要使用具有快速恢復(fù)功能的肖特基整流二極管作為輸出整流二極管。輸出整流二極管的標(biāo)準(zhǔn)電流值(IF)應(yīng)為輸出直流電流額定值(Io)的3倍以上,整流管的反向耐壓值的計(jì)算:輸入電壓的最高值/匝比,即265*1.3/16.36=25.8 V。
整流使用的鋁電解電容容量要大和交流電阻要較低,否則無(wú)法濾除電流中的高頻交流電,還要考慮封裝體積不能過大,比如選用標(biāo)準(zhǔn)值為330μF/10V的鋁電解電容。為降低輸出紋波,在電源的輸出端要增加LC濾波單元,L取10μH左右的Ф4*7的小工字電感,C取100μF/10V的鋁電解電容。
5、控制反饋單元
控制反饋電路采用電壓基準(zhǔn)源TL431加光電耦合器P521組合作為參考、隔離、取樣。它可以將輸出電壓的變化控制在±1%以內(nèi)。反饋電壓由輸出端取樣,輸出電壓V0通過分壓電阻R63、R64獲得取樣電壓,和TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并輸出誤差電壓,最后通過光電耦合器改變VIPer12A芯片的控制端電流IFB,再通過改變PWM寬度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓V0使其保持不變,光電耦合器的另一個(gè)作用是對(duì)原、副邊進(jìn)行隔離。
設(shè)計(jì)一款AC-DC電源模塊不僅是從小體積、低功耗、重量輕、可靠性、電磁兼容性、高效率等多個(gè)特點(diǎn)出發(fā),還要從電子設(shè)備的發(fā)展出發(fā)。