150W双管正激恒流源设计

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1、150W双管正激恒流源设计一、功能指标输入电压范围：V=100Vac260Vac,f料=4060Hz；输入直流电压：V=140Vdc367Vdc；工旗输出电压范围：=32Vdc36Vdc；out输出电流：I=4.3A；输出功率：r=150W；out效率：n=90%；开关频率：f=100kHz；最大占空比：Dmax=0.48；最大导通时间：T(max)=4.8us。on二、电路总框架图AC100V.220EMI整流滤波L1UC3842辅助电源札*厂TC4424TL494电源管理代DiD3：IVT12-&11121.:-1e丄丿1L-2功率环节巨D4C0LM358电流反馈图1双管正激式LED驱动电

2、路总框图235图2连续模式双管正激电路开关管和二极管电压电流波形恒流LED负载2.1工作原理根据LED照明负载特性，LED负载须采用恒流驱动方式，必须保证输出电流是恒定的直流。基于双管正激变换器设计恒流源变换器。市电经过EMI滤波之后，整流再滤波，得到直流电压作为变换器输入电压。双管正激变换器如图1所示，基于以下假设：电路稳定工作，开关器件理想，换流过程电感电流不变化，相当于恒流源。为了保证双管正激电路变压器正常复位，要求驱动脉冲占空比不超过0.5，双管正激两个开关管同时导通同时关断，在开通时变压器向副边传递能量，输出滤波储能电感电流按斜率上升；在开关管关断时，变压器开始复位，在复位过程，变压

3、器不向副边传递能量，同时变压器漏感中的能量由原边两个反向的钳位二极管回馈到输入电压，开关管承受的电压为Vin。复位结束后，开关管承受的电压为1/2Vin。双管正激变换器两个开关管VT和VT串接于变压器初级绕组的两端，电路工作时两个开关管同时导通同时关断1。当开2关管导通时，变压器初级和次级同名端都为正，变压器向副边和负载传递能量。当开关管都关断时，储存于励磁电感上的电流使得初级绕组极性反转。D1将Np异名端钳位至输入直流电压，D2将Np同名端钳位至地电位。漏感尖峰被钳位，使得每个开关管承受的最大电压不超过Vdc,这是双管正激电路的一大优势。设计恒流源，用0.1欧姆的水泥电阻作采样，经过LM35

4、8放大及阻抗变换，得到合适的反馈信号，送至TL494控制芯片，控制电路采样常规PI调节器,TL494内部有两个误差放大器，对检测到的信号进行误差比较，对输出电流进行调节，使输出电流稳定在想要的值，同时系统添加了过压检测及保护模块，防止负载开路时系统的崩溃。三、系统建模及补偿电路设计系统机构图系统机构图Gc(s)为PI调节器传递函数，GM(s)为调制器增益，Gvd(s)功率环节传递函数,H(s)反馈分压网络传递函数。系统总开环传递函数为：G(s)=Gc(s)*GM(s)*Gvd(s)*H(s)。4.1双管正激小信号模型：双管正激变换器是一种带隔离的降压型(BUCK)变换器，在建立双管正激变换器小

5、信号模型时，可以参考BUCK变换器小信号模型进行设计，已知原副边匝数比为1：n,可得小信号模型如下：4Cjn*Vin(t)矽)逬)RlVo(t)T7C-rRc其传递函数：c()Vo(s)R1+RCsG(s)=n-Vin-Cvdd(s)R+Ri，(RR、丄LR+R丿L1+(R+)+s+LCs2cR+RR+RR+RLLL其中Rl为电感等效电阻，RC为电容串联等效电阻。忽略输出滤波电感的电阻及滤波电容串联等效电阻，可得到小信号模型：-_OrOn*Vin(t)vLy)L-cVo(t)输入输出电压增益：M=nDVin开关管开通时：din*Vin-Vo才=开关管关断时：di-VodtL忽略输出滤波电感的电

6、阻及滤波电容串联等效电阻，连续模式下双管正激变换器从控制到输出传递函数：G(s)-Vo(s)-nVGI、丿一一invdd(s)1+匕+LCs2RG(s)=vd在本设计中，Vin(max)=400V,n=0.5,L=1mH,C=2200uF,R=7Q。1+1.4*10-4s+2.2*10-6s2BodeDiagramFrequency(rad/sec)功率级传递函数Bode图负载很轻或者输出滤波储能电感很小时，变换器工作模式由CCM模式向DCM模式转变。在DCM模式下，输入输出电压增益为：M=Vin厂1+1+D2Vo2n&L其中：T二RTsDCM模式传递函数：GvdVo(s)d(s)=G-do1

7、2MRC1m厂2Vo1-MG=-o=doD2Mp带入实际参数，n=0.5,L=lmH,R=7Q,Ts=10us,D=0.3,C=2200uF,经计算，M=1/36。Vo(s)111.7断续模式下控制到输出传递函数为：Gvd=1+759*10-3sBodeDiagramGm=InfPm=90.5deg(at2.34e+003Hz)6040201040-200)Bd(edutingaM-45101-90100102Frequency(Hz)ged(esah在DCM模式下，双管正激变换器主电路相当于一个一阶惯性环节。对于以电流稳定输出的恒流源，其输出到控制的传递函数为：Gvd-d(s)1+7.59*

8、10一3s反馈补偿环节设计反馈补偿网络传递函数：厂(、_V(s)CI(s)outV (s)eaoV (s)tV (s)tV (s)aV(s)aI(s)out其中：1+s(RC+RC+RC)+s2RRCC11CCC11Cts2RRCC+R(C+C)s2112212V(s)Rt3V(s)R+Ra34out所以有：eaooutGCRRR53sR(R+R)734GC(s)V(s)eaooutq0.529x1+5.64x10-2s+5.64x10-7s25.64x10-7s2+4.7x10-4s1+s(RC+RC+RC)+s2RRCC11C1CCC11C1121222112s2RRCC+R(C+C)s2

9、112212Rl=120kQ；R2=lkQ；R3=360Q；R4=lkQ；R5二R6=20kQ；R7二R8=lkQ；Rs=0.1Q。C1=0.47uF；C2=0.01uF；80总开环传递函数:)Bd(edutingaMResponse:untitledlFrequency(Hz):9.47e+003Magnitude(dB):0.387100102104106Frequency(Hz)BodeDiagramGm=Inf,Pm=123deg(at99气+003Hz)G(s)open12.09x5.64x10-7s2+5.64x10-2s+14.28x10-9s3+4.131x10-6s2+4.7

10、x10-4sSystem:cFrequency(Hz):9.29e+003-500)Bd(edutingaM4、模块电路设计4.1EMI整流滤波电路输入EMI整流滤波模块如图3所示，热敏电阻采用负温度系数电阻(NTC-50D20),热敏电阻起到开机缓冲作用；起到防雷作用的压敏电阻选用10D471K；为了保证足够的裕量，整流桥采用KBL610,输入滤波电容选用220uF/450V的电解电容。采用共模滤波电感(LFZ2805V12)和0.01uF/275V安规电容实现EMI滤波。4.2、主变压器设计采用饱和磁感应强度Bs较高，温度稳定性好，价格低廉，加工方便的性价比较高的锌锰铁氧体材料，根据TDK

11、公司提供的磁心材料参数，PC40EE42-Z磁心,Ap=6.4625cm2,磁心常数C1=0.520；磁心有效截面积Ae=235mm2；有效磁路长度le=97.6mm，有效体积Ve=23000mm3；lOOKHz,200mT,100C磁芯损耗Wt=11.6W；Bs=380mT(100C)，选用PC40EE42-Z磁心作为主变压器材料。为了保证有足够的功率裕量，按照输出功率按照180W进行设计。以下公式所涉及到的P=l8OW。1、输入平均电流：1.43(A)_P180outav耳*V(min)0.9*140inV(min)为最小直流输入电压，V(min)100*2-1.0=140V；inin2、

12、计算最小原副边匝比V(min)*DinmaxVoutNV*DN：1PinsoutNV代入参数，V(min)100S/21.0沁140V；Dmax=0.48；Vout=36V；in得到最小原副边匝比：N：1=1.87，取N=2进行设计。3、计算变压器初级匝数最小原边匝数：(min)Lp*IpkV(min)*T(max)*108N(min)puL曲on*108pA*ABA*ABeeV(min):最小直流输入电压(V)；inT(max)：最大导通时间，(S)；onAB:磁心磁通密度变化量，单位：高斯，一般取值范围为：10002500高斯(1T=10000高斯)，磁心饱和点最大磁通密度为Bs=3000

13、高斯，为了让磁通密度有足够的变化裕量，防止磁心饱和，取AB=1000高斯；Ae：磁心有效截面积(cm2)，选用EE42磁心，其Ae=235mm2=2.35cm2；经过计算得：N(min)-Vn(min)*J()*108-140*48*106*108.29pA*AB2.35*1000e取原边匝数：N=30匝；4、计算变压器副边匝数N1Ns2pNs：副边匝数；N:原边匝数;经计算：Ns=15匝；5、计算原边电感量P等200outpftV(min)*D140*0.48二2.98(A)；dcmaxI=2*I沁6(A)；pkpft最小励磁电感：Lp_minN*A*ABpe*10-8Ipk30*2.35*

14、10006*10-8q117.5(卩H)励磁电感小，相应的励磁电流大，励磁电流不向副边传递能量，只是用于使磁心磁通延磁滞回线移动。励磁电流一般去原边峰值电流的10%，即：Lp_nom*10-8q1.2mHN*A*AB30*2.35*1000pe*10-8=0.1*I0.6pk6、验证变压器是否会饱和6_=2498.7(Gs)AB=Vn(TIn(ma)*108=367*.48*100*1A*N2.35*30ep在输入电压最大，占空比最大时，最大磁通密度小于3000高斯，从而保证了变压器不会出现饱和的情况。7、绕组线径选择初级线圈：rms1rms13.12*PoutV(min)dc0.48=2.4

15、(A)3.12*1801400.48=2.78(A)电流密度取J=500圆密尔/A;由于趋肤效应，绕线表面电流大而内部电流小，开关电源设计时，单根线径不得超过趋肤深度的2-3倍；趋肤深度计算公式：6.6165.5(温度T=20C)带入参数：f=100kHz，温度T=20C趋肤深度：65.5v100*103=0.207（mm）选用线径=0.44mm的铜线作为绕组导线。单根导线的圆密尔数：S=12*1000=0.50663.14*0.2220.5066*1000=300（圆密尔）原边绕组根数：I*J2.78*400n=rms1=沁4（根）1S3001其中，J为绕线电流密度（单位为圆密尔/安培）;I

16、rms1为原边电流有效值。S1为单根导线的圆密尔数。副边绕组根数：副边输出平均电流：Irms2=2*Irms1=2*2.4=4.8AI*J5*400nrms2=沁2S3001表1：主变压器参数表绕组单根绕线线径绕组匝数绕线根数原边0.44mm304副边0.44mm157原边电感量1.2mH磁芯EE42-Z磁心（PC40）骨架EE42（6+6）4.3、开关管选取原边电流有效值：Irms=2.4A，最高输入电压为400V,为了保证开关管5倍以上的功率裕量，选取最大漏极电流为20A,耐压为500V的IRFP460作为主开关管。4.4、磁恢复钳位二极管选取最大直流输入电压为400V,为保证有20%的裕

17、量，二极管反向耐压至少为V400Vdcmax500（V）r0.80.8过流能力计算，根据法拉第定律可得：V-T400x4.8x10-6I=dcmaxonmax=96(A)fL200x10-6m_actual选用10A，600V的二极管：6A10。4.5、输出整流二极管选取200x10-6二极管耐压：V=匕max=400=250(V)r2nx0.82x0.8流过每个二极管的电流平均值：=omaxU2.5(A)ave2流过每个二极管的电流有效值：I=IxjD3.5(A)drms2o_maxFmax选用过流能力为30A，耐压600V的快恢复二极管：MUR3060。4.5、输出电感选取考虑电流纹波系数

18、为0.1，由于输出采用的是倍流整流，故流过电感的电流为总电流的半。L_pk(0.1xI(I+omaxomax22)-2.6(A)电感量：rVT36x5.2x10-6卄/”、L二o_maxoff二u375(卩H)outAi0.1x5L4.6、输出电容选取Ai=Ix0.1=0.5(A)LomaxESR=20mQ,取输出电容上纹波电压：AU=0.1(V)cn-V-(1-D)omaxminCoutL-f2-AUoutsc选取2200uF/50V电解电容作为输出滤波电容，再并上luF和O.luF的wima电容滤除高频纹波。4.7、隔离驱动电路4.3.1脉冲变压器设计双管正激电路两个开关管的低电位不是同一

19、个点，对于上管，低电位为变压器Np同名端，驱动方式比较特别，必须采用隔离驱动方式。本设计用脉冲变压器实现隔离驱动。脉冲变压器驱动是原副边匝数比为1：1：1的小型变压器。综合考虑体积与传输能量的要求，采用EE19铁氧体磁芯作为其磁芯，Ae=0.22cm2,Bmax=300mT(100C)。开关频率f=100KHz,Vcc=15V,为了避免磁芯饱和，磁通变化量AB取100mT。Np=Vcc*Dmax*TAe*AB=28匝Ns1=Ns2=Np=28匝脉冲变压器初级电感量的选取频率f范围原边电感量10k100kHz42mH100k300kHz20.5mH300k500kHz0.50.05mH根据经验表

20、可知，频率越大，脉冲变压器原边电感量越小，开关频率为100kHz,故选择脉冲变压器初级电感量约为2mH。实际绕制：选取EE19磁芯，线径0.38mm，原边匝数和副边匝数都为28匝。表3：脉冲变压器参数表绕组单根绕线线径绕组匝数绕线根数原边0.38mm281副边10.38mm281副边20.38mm281原边电感2mH磁芯EE19(PC40)骨架卧式EE19(4+4)采用TC4424驱动芯片，增强驱动电路的驱动能力，具体电路如图4所示。4.8、控制电路RT_ct_OaGilldtorI-0.7CflmpflrwtorDTC2IN-ErrsirAmpuflfri2IN4_!A15ErrorAmpl

21、rfierCHJTPUTC1TRLFundi”hb*13PUlfrl-S-ltwringRip-FlopReferentsRequlac&r40W时，K=0.50.6；当P40W时，K=0.350.45。p2本设计中，P40W，k取0.4；为了保证工作于DCM模式，占空比最大值取Dma=0.4,所以2I2*0.27有：I=av=沁0.96(A)pk(1+k)*D(1+0.4)*0.4max初级电感量：V(min)*DinmaxI*fpk127*0.40.96*60*103沁0.882*10-3(H)最小原边匝数：L*N(min)=k=VWin)*-*10pA*ABeA*ABeV(min):最小

22、直流输入电压(V)；inT(max):最大导通时间,(S)；onAB:磁心磁通密度变化量，单位：高斯，一般取值范围为：10002500高斯；A：磁心有效截面积，选用EI33/29/13磁芯，其Ae=118mm=1.18cm2N(min)=)*叮max)*108二127*4*时*10一6*108.45匝pA*AB1.18*1600e副边匝数：(V+V)*N*(1-D)(15+1)*45*0.6门甫N=odpmax=U91匝sV(min)*D127*0.4inmaxNs：副边匝数；Np：原边匝数；Dmax:最大占空比；Vd：输出整流二极管压降；spmaxd取Ns=9匝9x16=9匝;9辅助供电绕组

23、匝数：V+1N=N丄辅助sV+1o3)绕组线径选择电流密度取J=500圆密尔/A;由于趋肤效应，绕线表面电流大而内部电流小,开关电源设计时，单根线径不得超过趋肤深度的2-3倍；趋肤深度计算公式：6.6165.5带入参数：f=60kHz,温度T=20C趋肤深度：AdU65.560*103=0.267(mm)选用线径d=0.38mm的铜线作为绕组导线。单根导线的圆密尔数：S=1兀(2)22*1000=0.50663.14*0.1920.5066*1000U224(圆密尔)原边电流峰值为抵=0.96A，平均电流为rms=pkD=0.35(A)3max原边绕组绕线根数：I*Jn=rmsU1(根)1S1

24、副边绕组绕线根数：沁4（根）I*J2*500nrms22S2241其中Irms2=2A综上可得变压器参数，如表4所示：表4：辅助电源变压器参数表绕组单根绕线线径绕组匝数绕线根数原边0.38mm451副边0.38mm94辅助输出0.38mm91原边电感0.882mH磁芯EI33/29/13(PC40)骨架EE33(6+6)为了减小漏感，提高变压器效率，采用“三明治绕法”绕制辅助电源变压器。存二竺L1ElL1-tEED-E3K?rad-E0:39ey*丄.口151+T-TTFn-DfzEZZTG(s)=vd1+1.4*10-4s+2.2*10-6s2绘制bode图，Matlab程序：clear;n

25、um=200;den=2.2e-6,1.4e-4,1;c=tf(num,den);margin(c);G(s)=12.09x5.64x10-7s2+5.64x10-2s+1open4.28x10-9s3+4.131x10-6s2+4.7x10-4sclearall;num=200*05.64e-75.64e-21;den=4.28e-94.131e-64.7e-40;c=tf(num,den);margin(c);gridon;BodeDiagramGm=Inf,Pm=29.7deg(at8.72e+003Hz)500)Bd(edutingaMFrequency(Hz)5005038)ged(esahP