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經驗談:反激變壓器KRP到底是什么?
作者:變壓器 來源: 日期:2016-12-6 10:13:44 人氣:
經驗談:反激重庆时时彩5星在线计划KRP到底是什么? 摘要 反激重庆时时彩5星在线计划的優點自是不必多說,很多新手都通過反激電源的制作來熟悉電源設計,目前網絡上關于反激變壓器的學習資料五花八門且比較零散,本文就將對反激變壓器的設計進行從頭到尾的梳理,將零散的知識進行整合,并配上相應的分析,幫助大家盡快掌握。 今天將進行一個較為完整的分析,KRP作為反激變壓器中的靈魂參數,該如何對其進行取舍,值得我們深入探討。 名詞解釋 首先先對文章當中的將要提到的一些名詞進行解釋。 工作模式:即電感電流工作狀態,一般分DCM、CCM、BCM三種(定性分析)。 KRP:描述電感電流工作狀態的一個量(定量計算); KRP定義: KRP的意義 KRP的意義:只要原邊電感電流處于連續狀態,都稱之為CCM模式。而深度CCM模式(較小紋波電流)與淺度CCM模式(較大紋波電流)相比較,電感量相差好幾倍,而淺度CCM模式與BCM、DCM模式的各種性能、特點可能更為相似。顯然需要一個合適的參數來描述所有電感電流的工作狀態。通過設置KRP值,可以把變壓器的電感電流狀態與磁性材料、環路特性等緊密聯系起來。我們也可以更加合理的評估產品設計方案,例如: KRP較大時(特別是DCM模式),磁芯損耗一般較大(NP較小),氣隙較小(無氣隙要求,僅滿足LP值),LP較小,漏感會較大,紋波電流較大(電流有效值較高); KRP較小時(特別是深度CCM模式),磁芯損耗一般較小(NP較大),氣隙較大(有氣隙要求,平衡直流磁通),LP較大,漏感會較小,紋波電流較小(電流有效值較低); 注:KRP較小時,氣隙也是可以做到較小,但這需要更大的磁芯和技巧; KRP較大時,磁芯損耗也是可以做的較小,但這同樣需要更大的磁芯和技巧; 這里說一點題外話,大部分人通常認為,相同磁芯、開關頻率,DMAX,DCM模式比CCM模式下的輸出功率更大;其實這是不完全對的(至少不符合實際,因為需要限制DMAX,導致空載容易異常),原因在于DCM模式下磁芯損耗會超出你的想象(電應力也會如此);DCM模式下,如果想大幅度降低磁芯損耗,唯一的方法是增大NP,而過大的NP會與LP形成現實沖突(DCM模式下,LP一般較小),造成磁芯氣隙超出你的想象(漏感也會如此);有沒有方法解決這種現實矛盾?答案應該是肯定的,即選擇合適的磁芯結構,如長寬比小且AE大的磁芯(PQ、POT系列),或許會比長寬比大且AE小的磁芯(EER、EEL系列)更加有優勢。(補充:在DCM模式下,如果限制DMAX,則會比CCM模式下輸出更大的功率) KRP較大時,增大DMAX可以在一定程度上降低原邊的紋波電流及有效電流值,但是次級的電流應力會更加惡劣,這種方法(增大/減小DMAX)只適合平衡初次級的電壓、電流應力,應該不是一種很好的設計手段。 KRP較大時,空載啟動困難,特別是低壓大電流輸出,且空載無跳頻(寬范圍AC輸入時尤其如此,如3.3V10A,特別是超低壓輸入); KRP較小時,開關損耗較大,特別是高壓小電流輸出,且開關頻率較高(窄范圍AC輸入時尤其如此,如100V0.5A,特別是超高壓輸入); 注:非低壓大電流產品(如12V5A),KRP較大時,DMAX不能設計的過小,否則空載也會啟動困難,且空載無跳頻(寬范圍AC輸入時尤其如此);超低壓輸入產品(如12V輸入),KRP應該較小,且開關頻率也不能過高,否則LP過小(漏感過大)無法正常工作(或者效率極低)。 KRP較大時,動態響應較快,環路補償比較容易(特別是采用電流模式控制);KRP較小時,動態響應較慢,環路補償相對困難(特別是采用電壓模式控制);KRP較大時,電感電流斜率較急,CS采樣端對噪聲影響不明顯;KRP較小時,電感電流斜率較緩,CS采樣端可能會受到噪聲影響。 注:電流模式芯片通?;岜鵲繆鼓J嬌刂菩酒男閱芨佑乓?,但并非所有情況下都是如此。如果輸入電壓較高,輸出功率較小,電流模式芯片可能無法檢測CS電壓,低壓大電流輸出產品在空載時也會出現這種情況(再次強調,寬范圍AC輸入,低壓大電流輸出〈甚至非大電流輸出產品〉,如果KRP較大,DMAX又較小,空載極有可能出問題,或許輕載降頻、提高VCC都不一定有效,但是采用某些電壓模式控制芯片,可能會避免此問題)。低壓輸入,輸出功率很大時,電感電流斜率較緩,CS采樣電壓(電阻/互感器)可能很容易受到干擾,如果負載變化較大,也可能會因此CS端采樣異常。也不是所有電流模式芯片均比電壓模式芯片優秀,這需要綜合考慮各種因素,包括外圍電路的復雜程度。 超高壓輸入時,KRP應該設置較大(最好是QR模式),開關損耗會較低; 超低壓輸入時,KRP應該設置較小(最好是深度CCM模式),漏感會較低; 注:關于這兩條,后續有必要專門展開分析。 KRP選取法則 電感紋波電流如何設置,主要取決于輸入電壓范圍、輸入電壓幅度、輸出電壓幅度、輸出電流范圍、漏感百分比(氣隙)四個量。 1、寬范圍輸入時,盡量選擇深度CCM模式; 注:在所有輸入電壓范圍內,功率器件的電壓電流應力會有一個較好的折中; 2、輸入電壓非常低時(如12/24V),請選擇深度CCM模式(KRP≤0.40); 注:此時如何降低漏感擺在第一位,深度CCM模式下,自然會獲得最小的漏感量; 3、輸入電壓非常高時(如400VDC),請選擇DCM模式(或者QR模式); 注:此時如何降低開關損耗擺在第一位,在QR模式下,自然會獲得最小開關損耗; 4、輸出電壓非常高時,請選擇DCM模式(或者QR模式); 注:此時如何降低開關損耗擺在第一位,在QR模式下,自然會獲得最小開關損耗; 5、輸出電流非常大時,盡量選擇CCM模式,KRP值視輸入電壓范圍及幅值決定; 注:CCM模式下,峰值電流、紋波電流、有效電流都會相對較小,且盡量避免采用單個肖特基二極管去處理高有效值電流,也要想辦法去避免空載問題。 6、小電流輸出,盡量采用DCM(QR)模式。 注:功率小,效率較高。 7、如果要求最小漏感設計,盡量選擇CCM模式,KRP盡可能的小。 8、采用較小磁芯輸出較大功率的前提條件是:較小DMAX、較高電感紋波電流(有效電流),空載問題好解決。 9、KRP小于0.66時,電感電流峰值、有效值,不再跟隨KRP值的減小而明顯減小,但是Bdc及氣隙上升非常明顯。 KRP小于0.40時,電感電流紋波電流將會出現過小而導致CS采樣困難,且飽和的10電感電流上升不明顯。 10、如果設置BCM模式下的LP=1,其他工作條件不變,則: KRP=1.00,LP=1 KRP=0.66,LP=2 KRP=0.50,LP=3 KRP=0.40,LP=4 KRP=0.33,LP=5 我們可以研究不同KRP值下,磁芯的Bdc、Lg的變化趨勢,甚至可以更換不同的磁芯來滿足電氣參數設計(KRP、DMAX、LP均不會發生改變)。如此一來,KRP(電氣參數)將會與磁芯參數形成緊密的聯系,方便量化分析。通過不同的電感紋波電流,來讓我們知道變換器到底需要什么樣的磁芯設計參數(包括磁芯選型)。而不是先來設計變壓器參數,然后自動生成KRP等電氣參數。 簡單的理解,就是先設計好電氣參數,如初次級的電壓、電流應力,評估各種損耗溫升,考慮到PWM芯片、MOS、二極管各種的特點(先選好),讓反激變換器工作在最佳的工作狀態。根據這個最佳的電氣參數,我們來設計變壓器參數,如NP、NS、氣隙等等,最后通過更換磁芯或是微調變壓器的結構設計,讓整個變換器都工作在最合理的狀態。如果開頭就進行變壓器設計,會導致我們產品優化的余地較小(不得不重新計算或是申請樣品)。 不過,不得不承認,每一個人的學習經歷往往很不同,屬于自己的最佳設計流程,應該是自己最熟練、最能理解的哪一種。那是一種積累、一種磨練,千萬不要輕易去否定。這里提供的方法只是其中一種,諸多技巧中,如果覺得好就用,不好就不用。 KRP的別名:KRF、r,它們之間存在換算關系,建議參考相關資料; 如果設置BCM模式下的LP=1,其他工作條件不變,則: (磁芯、匝數比不變,否則無法完成對此;NP的變化不會改變DMAX、電壓、電流應力,NP主要是影響磁芯參數設計) 釋疑: 1、KRP從1.00下降至0.66時,峰值電流的下降非常明顯,當KRP從0.66向0.33下降時,峰值電流的下降幅度非常有限; 2、KRP從1.00下降至0.33時,紋波電流的下降一直非常明顯,與LP的變化趨勢剛好相反(I=V*TON/LP); 3、KRP從1.00下降至0.66時,有效電流的下降非常明顯,當KRP從0.66向0.33下降時,有效電流的下降幅度非常有限; 4、KRP從1.00下降至0.33時,BDC急劇增大,氣隙的大小與磁性元件的設計有關,由于對比中的NP會有所不同,所以氣隙、BDC、BAC的變化趨勢僅僅是起有限的參考作用; 關于BDC、BAC的變化趨勢(二者是由哪些量決定的)分析見《開關電源手冊》,其中有詳細描述: ①外加的伏秒值、匝數、磁芯面積決定了交變磁通量(BAC); VTon(n)+Np+Ae→△B ②直流平均電流值、匝數、磁路長度決定了直流磁場強度(BDC); Idc+Np+Le(lg)→Hdc ③加氣隙和不加氣隙,磁芯飽和磁感應強度是一樣的;但加氣隙的磁芯能顯著減小剩磁Br,另外,加氣隙可以承受大的多的直流電流; 5、KRP從1.00下降至0.33時,由于BDC、LP急劇增大,所以NP也會較大,間接導致導致BAC較小。 6、KRP從1.00下降至0.33時,LP的變化范圍非常有意思,注意是整數倍,這為我們評估變壓器的設計提供了極好的參考依據,我們可以一開始就設計在臨界模式,并且將臨界LP作為參考數值。需要明白,在保持匝數比(DMAX)不變的情況下,產品中的各種電壓應力不會有任何改變(DMAX決定了電壓應力,也不能夠大幅度改變,只適合微調)。我們可以通過研究KRP(LP)變化時,各種電流應力與磁芯參數的變化趨勢,最終找出最優設計。 7、采用此方法設計變壓器時,建議采用V*TON,而不是I2*LP,因為DMAX(決定TON)幾乎是固定量變化不大,而LP可以是變化量(由KRP決定),變化量非常大,優化分析時也比較簡單。 8、需要認真理解NP與LP不是線性關系,也要完全明白氣隙的計算公式。 9、進行KRP及變壓器設計時,需要緊密聯系各種參數(電壓、電流應力,磁性參數),然后進行系統分析。這是我極力推薦大家采用軟件的主要原因,手工計算極易出錯、慢、且無法對全局進行優化分析。 10、關于KRP的相關介紹,可以參考PI的相關設計資料;關于KRF的相關介紹,可以參考飛兆的相關設計資料;關于r的相關介紹,可以參考《精通開關電源設計》;關于KRP,其他公司也有各種不同的描述,但他們要表達的意思其實都差不多。 小結 以上就是反激變壓器的工作狀態和KRP的定性分析,當然如果詳細分析起來還有更多的內容,如PFC、正激類的輸出電感等,這些內容都可用KRP來描述,總體來說沒有那么高深莫測,只是作為不同的應用時,側重點也有所不同,只要勤于鉆研和實踐,這對大家來說將不是什么難題。
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