如何简化高压电源设计

无论您是设计AC / DC适配器还是设计用于工业应用的高压板载电源,高压电源都是无处不在的。在为负载点(POL)转换器供电之前,您通常希望将高压输入电压降至较低的中间电压。这些前端电源的设计从其所具有的要求中提出了独特挑战。本文旨在让您了解高压电源设计的基本结构,以及设计工具如何简化这些应用的设计。在为AC / DC或高压DC / DC应用设计时,您需了解三个主要内容。

1.了解您的系统要求。

大多数人知道自己的终端设备的用武之地,以及是否需要通用电压范围(85V至265V)或区域特定电压,如美国(120V);日本(100V);英国(230V)或中国(220V)。此外,您的设计是针对充电器型应用还是板载电源设计呢?您的设计是针对需要紧凑输出电压调节的电源设计吗?您有什么类型的隔离要求?

每个问题的答案将帮助您在设计时做出适当权衡。通用电压范围的设计确保了全球不同国家的可操作性,但却以更高的电压/电流额定值组件为代价,其价格更高,占地面积更大。充电器型电源通常需要恒定电压/恒定电流(CV / CC)特性。因此选择一个满足这个要求的控制器必不可少。

如果您的电源需要严格调节输出,您需要考虑次级侧调节控制器,其严格调节次级电路上的电压,而初级侧控制器调节器的输出可能随变压器或次级二极管参数的变化而变化。某些应用要求您的变压器为更安全,坚固的终端设备提供一定程度的隔离。

TI的WEBENCH® High-Voltage Power Designer是一种易于使用的工具,可用于设计AC / DC或HV-DC / DC应用。您只需输入电压和电流要求,即可找到适合您应用的解决方案。使用优化器拨盘,您可以根据系统需求优化设计,以减少成本、占地面积并降低效率。开始设计时,请访问ti.com上的WEBENCH panel。以下图1所述为由WEBENCH Power Designer生成的电源解决方案的视图。

 

1:使用高压解决方案的WEBENCH Power Designer

 

以下图2所示为使用初级端调节的AC/DC反激式开关,它提供了一个低成本、低占空比的解决方案,并松动调节次级输出。图2所示为使用光耦合器反馈的次级侧调节中的AC / DC反激,其成本更高,但在次级电路上提供更严格的调节。

 

 

2:具有初级侧调节的AC/DC反激

 

  

3:使用光耦反馈的次级侧调节的AC / DC反激

 

2. 选择正确的拓扑/控制方案。

在低功率(大于10W和小于100W)条件下,反激是最广泛使用的拓扑。正向和半桥拓扑通常服务于100W至500W的功率水平,而全桥拓扑服务的功率水平> 500W。理论上讲,您可为高功率电平构建反激,但组件上的电压/电流应力使这种拓扑需要更高的电压/电流额定组件,这样成本更高,体积更笨重。这为在更高功率水平自然采用其他拓扑铺平了道路。

您可在以下三种操作模式设计控制器:连续导通模式(CCM)(变压器中的磁化电流不会达到零);非连续导通模式(DCM)(磁化电流达到零,并保持为零,直到下一个开关周期);或过渡模式(TM)(磁化电流达到零,且下一个开关周期立即开始)。CCM典型用于更高功率水平,而DCM和TM提供更低损耗的解决方案。

根据设备及其操作模式,WEBENCH Power Designer通过使用必要的公式创建拓扑的完整设计,从而节省您的时间和精力。该工具还允许您在设计范围内,在各种工作点评估效率及其他参数,如输出纹波、RMS电流、损耗等。

3. 设计变压器。

良好的高压电源设计所需的主要事项之一是为您的应用正确设计变压器。变压器通常是高压设计中的能量转换元件,其也提供了初级和次级电路之间的隔离。

根据定义,变压器不存储能量,而是将能量从初级转移到次级。这是人们将反激变压器称为耦合电感器的主要原因之一,因为反激拓扑中的组件在开关周期的导通时间期间存储能量,然后在关断时间期间将该能量传输到次级。

变压器通常具有铁芯(其是磁性元件);线筒(或线圈架),其为用于铁芯的塑料外壳(见图4)及缠绕在芯骨架结构上的线材。

 

  

4:铁芯、线圈架和组装变压器

 

组装的预制变压器可随时从制造商获得。此变压器具有固定匝数比(Ns / Np)和初级电感(变压器的磁化电感导致能量积累)。根据工作频率和输出功率水平,初级电感和匝数比的要求差异巨大,且可能不提供预先组装的现成变压器。这种情况下,选择变压器铁芯和线圈架并缠绕变压器将是必要事项。这需要深入了解变压器磁性。

WEBENCH设计工具现在能够通过选择满足要求的铁芯和线轴来设计变压器,并且还提供绕组结构的详细信息。您可以单击原理图中的变压器符号查看并下载变压器详情,也可更改变压器铁芯/绕线筒组合。图5所示为变压器设计窗口的视图,给出了针对特定设计要求的各种铁芯/绕线筒组合。您还可在高度、损耗(铁芯/铜损)、占地空间和成本方面比较不同的变压器。如果您有钟意的特定铁心类型或材料,请通过变压器列表选择适合您需要的类型。

变压器结构图讲解如何缠绕变压器。这与变压器结构细节表一起给出有关层数、绞线、AWG线等信息。您还可以下载图6所示的变压器设计报告,以获取此信息。无论您是自己制造原型还是由变压器绕组公司缠绕,这都将简化您构建变压器的工作。

 

 

5WEBENCH中的变压器设计能力

 

 

6:变压器设计报告

 

其他信息

 
 
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