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开关电源兴趣小组 第19次任务 [复制链接]

  第18次思考题
  本文图(03)中红色箭头1所指处是功率开关管导通阶段。反激变换器功率开关管导通时也会在变压器初级和初级的分布电容两端产生电压突变,见本文图(05)中绕组Np和Cp。为什么图(03)中红色箭头1处没有衰减振荡波形?本文图(04)中对应于功率开关管导通阶段(T1之前阶段)也看不到衰减振荡波形。
  本次图(01) 复制于上次图(03),本次图(02)复制于上次图(05)。

S19_01.PNG 图(01)

S19_02.png 图(02)
  红色箭头1处为功率开关管导通阶段。这个阶段中功率开关管表现为非常低的阻抗。同时我们应该注意到直流电源Vdc也具有非常低的阻抗。于是产生衰减振荡的LC回路(即上图中的变压器初级电感Np和分布电容Cp以及次级电感Ns和分布电容Cs反射到初级的数值)两端并联了非常低的阻抗。根据电工学知识,LC回路并联很低的电阻或者串联了很高的电阻,都会使LC回路Q值降到很低,对冲击的响应失去周期性,即强烈的过阻尼状态。由于功率开关管导通,此时LC回路的阻尼非常强,在电流冲击下其响应已经不具有周期性,所以看不到衰减振荡。而本文图(01)红色箭头2所指处功率开关管和变压器次级的整流二极管均关断,LC回路(即上图中的变压器初级电感Np和分布电容Cp以及次级电感Ns和分布电容Cs反射到初级的数值)两端并联的阻抗很高,所以对电流冲击的响应具有周期性,会产生衰减振荡,并被示波器看到。
  
  第19次活动,请各位阅读《精通开关电源设计 第2版》第6章“元器件额定值”,第7章“最优功率器件选择”和第8章“导通损耗和开关损耗”。
  
  开关电源发展到今天,元器件和材料的进步功不可没。实际上,我们在前面讨论的各种电路(拓扑),如Buck、Boost、Buck/Boost、正激、反激……在晶体管还没有发明出来的时代就已经有了。但因元器件性能不够好,成本太高,未能得到广泛应用。晶体管发明出来后,因饱和压降比真空管低得多,立即在开关电源中得到了应用。但当时的晶体管耐压低,速度也不够快,所以应用还不太广泛。高耐压大功率晶体管发明出来后,也立即在开关电源中获得应用,使开关电源的应用范围扩大了很多。原来因为开关管耐压低,开关电源仍然要用工频变压器将市电降压,再供开关电源使用。高耐压大功率晶体管发明出来后,就可以将工频变压器省掉,成为“无工频变压器开关电源”,大大减少了电源整体的体积和重量。
  但高耐压大功率晶体管的速度还不够快,当时的开关电源工作频率只能做到数kHz,多方改进后也难以达到20kHz,使得当时的开关电源变压器铁芯由于磁致伸缩而产生人耳可闻的声音。使用者对这种高频率声音非常反感,但当时的元器件只能做到这么高频率。
  功率MOS管出现,解决了开关电源工作频率的问题。功率MOS管不仅开关速度高,而且没有双极型管的“二次击穿”问题,可以工作于双极型管所不能达到的高频率。而且随着制造工艺的进步,开关速度越来越快,导通电阻越来越低。开关速度快,延迟时间短,使得用MOS管代替快速二极管实现同步整流成为可能。导通电阻低,有助于减少导通期间的损耗,提高开关电源的效率,减少散热器体积和成本。现在中小功率开关电源的工作频率高达100kHz。这可以大为减少变压器体积重量和成本,也减少了滤波电路的体积重量和成本。
  随着功率MOS管性能的不断提高,价格不断降低,开关电源的总成本也越来越低。现在小功率开关电源,例如手机充电器,其电路成本已经可以降到1元以下。
  开关电源中另两个重要元件是变压器和电解电容。随着变压器铁芯材料(主要是铁氧体)的不断进步,损耗越来越小,导致同样传输功率下变压器的体积越来越小。电解电容的串联等效电阻和等效串联电感也越来越小,同样工作电压下单位体积的容量却越来越大。于是整个开关电源的体积和重量都越来越小。
  开关电源能够发展到今天,体积、重量和成本越来越低,得到了广泛的应用,元器件的发展功不可没。今天我们设计开关电源,不能用若干年前的元器件参数进行设计,而要用最新的元器件参数来设计,否则设计出来的开关电源体积大、重量重、成本高、效率低。
  现在直流输出的开关电源的设计已经变得相当简单。非隔离的中小功率DC/DC变换器,基本上都有现成的芯片可用,只要按照说明书外接几个元件如电感、电解电容、分压电阻等,即可工作。从交流市电转换成低压直流的开关电源,也有单芯片可供选用。这类芯片,通常把功率开关管集成到了芯片内部,也只要外接几个元件即可工作。例如PI公司的产品就是如此。PI公司的某些产品,甚至把与单片机相联的数字接口都做到芯片里面,成了数控开关电源。当然,交流市电与输出端的隔离还是要靠变压器。于是变压器的设计和绕制就成为最主要的工作。其它设计,芯片的生产厂家已经替你完成了。只有特殊要求情况下,才需要自行设计开关电源,例如要求输入电压变化范围非常宽,从十几V到200多V都要求能够正常工作,或者输出电压变化范围非常宽,可以从接近于零调到数十V甚至数百V,才需要单独特殊设计。这些特殊设计,已经不是初级课程的内容,通常需要较高的知识水平才能够完成这样的设计了。
  
  开关电源兴趣小组的活动,至此告一段落。希望各位提出自己的问题,如果各位的问题有代表性,或许我们可以进一步讨论较高级的课题。
  


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一粒金砂(中级)

非常感谢maychang超级版主这段时间的悉心教导,我的问题是我只是了解到电源拓扑的一些概念,具体的详细工作细节还是很模糊。

说些题外话,我感觉maychang超级版主对磁方面有很深的研究,希望这方面多指导。

点评

磁现像方面的知识,在电工学和电子技术课程中讲得比较少,主要是在物理课程中讲。但电子技术各专业,往往对物理课程也不大重视。 想要增加磁现像方面知识,可以参看赵修科老师《开关电源中磁性元器件》。此书电子  详情 回复 发表于 2021-1-10 10:37

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超级版主

cjjh2014 发表于 2021-1-9 21:54 非常感谢maychang超级版主这段时间的悉心教导,我的问题是我只是了解到电源拓扑的一些概念,具体的详细工作 ...

磁现像方面的知识,在电工学和电子技术课程中讲得比较少,主要是在物理课程中讲。但电子技术各专业,往往对物理课程也不大重视。

想要增加磁现像方面知识,可以参看赵修科老师《开关电源中磁性元器件》。此书电子版在okhxyyo的网盘中可以下载。


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