开关电源kp与ki参数：输入电路器件选型计算
开关电源kp与ki参数：输入电路器件选型计算最高结温TjM(℃)最大正向压降UFM(V)型号最高反问工作电压URM(V)额定整流电流IF(A)
一.输入整流管的选择对于非隔离式开关电源，可采用输入整流管进行半波整流。隔离式开关电源一股采 用由整流管构成的整流桥，亦可直接选用成品整流桥，完成桥式整流。
近年来，以大管芯、小封装为特点的各种塑料封装(以下简称塑封)硅整流管大量 上市。它们的体积很小、性能优良、价格低廉，可取代原国产2CZ系列整流管。塑封 整流管的典型产品有1N4001—1N4007(1A)、1N5391—1N5399(1.5A)、1N5400一 1N5408(3A)，主要技术指标见表1，外形如图1所示，靠近色环(通常为 白颜色)的引线为负极。注意，1N4007也有封装成球形的
图1 塑封硅整流管的外形
表1 常见塑封硅整流管的技术指标
|
型号 |
最高反问工作电压URM(V) |
额定整流电流IF(A) |
最大正向压降UFM(V) |
最高结温TjM(℃) |
封装形式 |
国内参考型号 |
|
lN4001 |
50 |
1.0 |
≤1.0 |
175 |
DO-41 |
2CZ11~2CZ11J 2CZ55B~M |
|
lN4002 |
100 | |||||
|
lN4003 |
200 | |||||
|
lN4004 |
400 | |||||
|
lN4005 |
600 | |||||
|
lN4006 |
800 | |||||
|
lN4007 |
1000 | |||||
|
lN5391 |
50 |
1.5 |
≤1.0 |
175 |
DO-15 |
2CZ86B~M |
|
lN5392 |
100 | |||||
|
lN5393 |
200 | |||||
|
lN5394 |
300 | |||||
|
lN5395 |
400 | |||||
|
lN5396 |
500 | |||||
|
lN5397 |
600 | |||||
|
lN5398 |
800 | |||||
|
lN5399 |
1000 | |||||
|
lN5400 |
50 |
3 |
≤1.0 |
170 |
DO-27 |
2CZ12~2CZl2J 2DZ2~2DZ2D 2CZ56B~M |
|
lN5401 |
100 | |||||
|
lN5402 |
200 | |||||
|
lN5403 |
300 | |||||
|
lN5404 |
400 | |||||
|
lN5405 |
500 | |||||
|
lN5406 |
600 | |||||
|
lN5407 |
800 | |||||
|
lN5408 |
1000 |
全波桥式整流器简称硅整流桥，它是将四只硅整流管接成桥路形式，再用塑料封装 而成的半导体器件。它具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等优点，可广 泛用于开关电源的整流电路。硅整流桥有4个引出端，其中交流输入端、直流输出端各 两个。图3-3-2示出几种硅整流桥的外形。硅整流桥的最大整流电流平均值分0.5、1、 1.5、2、3、4、6、8、10、15、25、35、40A等规格，最高反向工作电压有50、100、 200、400、800、1000V等规格。小功率硅整流桥可直接焊在印刷板上，大、中功率硅 整流桥则要用螺钉固定，并且需安装合适的散热器。
图2 几种硅整流桥的外形
1．整流桥的导通时间与选通特性50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u1，再通过输入滤波电容得到直 流高压UI。在理想情况下，整流桥的导通角本应为180°(导通范围是从0°~180°)，但 由于滤波电容器C的作用，仅在接近交流峰值电压处的很短时间内，才有输入电流经 过整流桥对C充电。50Hz交流电的半周期为10ms，整流桥的导通时间tC3ms，其导 通角仅为54°(导通范围是36°~90°)。因此，整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整 流滤波电路的原理如图3-3-3(a)所示，整流滤波电压及整流电流的波形分别如图 (b)、图(c)所示。
图3 整流滤波电压及整流电流的波形
总结几点：
(1)整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大约为30％。
(2)整流二极管的一次导通过程，可视为一个“选通脉冲”，其脉冲重复频率就等 于交流电网的频率(50Hz)。
(3)为降低开关电源中500kHz以下的传导噪声，有时用两只普通硅整流管(例如 1N4007)与两只快恢复二极管(如FRl06)组成整流桥，FR106的反向恢复时间trr ≈ 250ns。
2．整流桥的参数选择整流桥的主要参数有反向峰值电压URM(V)，正向压降UF(V)，平均整流电流 IF(AV)(A)，正向峰值浪涌电流IFSM(A)，最大反向漏电流IR(uA)。整流桥的典型产 品有美国威世(VISHAY)半导体公司生产的3KBP005M~3KBP08M，其主要技术指 标见表2。整流桥的反向击穿电压断应满足下式要求
URM ≥ 1.25x1.414xUmax 1
表2 3KBP005M~3KBP08M型整流桥主要技术指标
|
型号 |
3KBP005M |
3KBP01M |
3KBP02M |
3KBP04M |
3KBP06M |
3KBP08M |
|
URM(V) |
50 |
100 |
200 |
400 |
600 |
800 |
|
UF(V) |
1.05 | |||||
|
IF(AV)(A) |
3.0 | |||||
|
IFSM(A) |
80 | |||||
|
IR(uA) |
5.0 | |||||
举例说明，当交流输入电压范围是85~132V时，Umax＝132V，由式1计 算出URM＝233.3V，可选最高反向耐压400V的成品整流桥。对于宽范围输入交流电 压，Umax＝265V，同理求得URM＝468．4V，应选最高反向耐压600V的成品整流桥。需
要指出，假如用4只硅整流管来构成整流桥，整流管的耐压值还应进一步提高。辟如可 选1N4007(1A／1000V)、1N5408(3A／1000V)型塑封整流管。这是因为此类管子的 价格低廉，且按照耐压值“宁高勿低”的原则，能提高整流桥的安全性与可靠性。
设输入有效值电流为IRMS，整流桥额定的有效值电流为IBR，应当伎IBR ≥ 2IRMS。计 算IRMS的公式如下
IRMS = PO/(ηumincosφ) (2)
式中：PO为开关电源的输出功率；η为电源效率；umin为交流输入电压的最小值；cosφ 为开关电源的功率因数，允许cosφ＝0.5~0.7。由于整流桥实际通过的不是正弦波电 流，而是窄脉冲电流(参见图3)，因此整流桥的平均整流电流Id＜IRM，一般可按 Id=(0.6~0.7)IRM来计算IAVG值。
例如，设计一个7.5V/2A(15W)开关电源，交流输 入电压范围是85—265V，要求η＝80％。将PO＝15W、η ＝80％、umin＝85V、>cosφ＝0.7一并代入式(2)得 到，IRMS＝0.32A，进而求出Id＝0.65×IRMS＝0.21(A)。 实际选用1A/600V的整流桥，以留出一定余量。
整流桥亦可由4只整流管构成，例如可选1N4007 型1A/1000V硅整流管。需要指出，图3-3-4中采用 两只FRl06型1A/800V快恢复二极管(VD1、VD2)、 两只1N4007型普通硅整流管(VD3、VD4)，目的是降 低开关电源中500kHz以下的传导噪声。FR106的反向 恢复时间trr≈250ns。
图4 由硅整流管和快恢复二极管组成整流桥
三.输入滤波电容器的选择1．输入滤波电容器容量的选择为降低整流滤波器的输出纹波，输入滤波电容器的容量CI必须选得合适。令每单 位输出功率(W)所需输入滤波电容器容量(uF)的比例系数为k，当交流电压u＝ 85~265V时，应取k＝2~3uF/W；当交流电压u＝230V(1±15％)时，应取k＝1uF/W。 输入滤波电容器容量的选择方法详见表3，PO为开关电源的输出功率。
表3 输入滤波电容器容量的选择方法
|
u(V) |
umin(V) |
PO(W) |
k(uf/W) |
CI(uF) |
|
110(1±15％) |
≥90 |
2~3 |
2~3 |
≥(2~3)PO值 |
|
85~265 |
≥90 |
2~3 |
2~3 |
≥(2~3)PO值 |
|
240(1±15％) |
≥240 |
1 |
1 |
≥PO值 |
输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CI值选得过低，会使UImin值大 大降低，而输入脉动电压UR却升高。但CI值取得过高，会增加电容器成本，而且对于 提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CI准确值的方法。
设交流电压“的最小值为umin。u经过桥式整流和CI滤波，在u＝umin情况下的输出 电压波形如图3-3-5所示。该图是在PO＝POM，f＝50Hz、整流桥的导通时间tC＝ 3ms η＝80％的情况下绘出的。由图可见，在直流高压的最小值UImin上还叠加一个幅 度为UR的一次侧脉动电压，这是CI在充放电过程中形成的。欲获得CI的准确值，可 按下式进行计算
CI = 2PO(1/f - tC)/η/(2Umin2 - UImin2) (2)
图5 交流电压为最小值时的输出电压波形
[例]在宽范围电压输入时，umin＝85V。取UImin＝90V，f＝50Hz，tC＝3ms，假定 PO＝30W，η＝80％，一并代入式(2)中求出CI＝84.2uF，比例系数CI/PO＝ 84.2uF/30W＝2.8uF/W，这恰好在2~3uF/W允许的范围之内。
