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开关电源系统电源提高效率设计技巧及方法

我以FLY的设计参考进行设计技巧和分析;能量转换系统必定存在能耗,虽然实际应用中无法获得100%的转换效率,但是,一个高质量的电源效率可以达到非常高的水平,开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET 和二极管)和开关变压器,另外小部分损耗来自电感和电容。但是,如果使用非常廉价的电感和电容(具有较高电阻),将会导致损耗明显增大。同时在选择开关电源IC 时,需要考虑控制器的架构和内部器件;也可以获得高的效率设计!

1.FLY的系统参考设计图:

2.电源的功率损耗的注意器件及分布位置预算分析

A.效率影响最大的是:开关IC的控制,开关变压器,吸收电路,开关MOS管;输出整流二极管

B.不同的开关电源系统其工作拓扑结构

C.可靠性带来的功能及检测电路器件

3.从上面的1-9位置器件分析开关电源的主要损耗来源;

①设计功率大于(>)10W时最大的损耗为开关变压器损耗。(恒流/恒压模式估计会有≥0.58W功率差异-跟电路的检测方式有关!)

②设计功率小于(<)10W时最大的损耗为开关芯片及开关MOS器件

③损耗的另一主要来源输出部分的整流设计(肖特基优于快速恢复优于超快速恢复)

④开关芯片的设计选择和MOS选择的设计(注意对于采用IC集成MOS参数和控制系统动作参数设计,目前PI公司技术相对会有优势)

⑤电源的稳压及调整率控制的假负载系统设计

4.>10W开关电源系统通过变压器的设计来提高电源效率的指导(从以下几个方面优化)

①选择适当的变压器磁芯大小,以满足空间要求下。

②优化选择最少的变压器次级设计圈数。

并且要求:

⑴设计最大的磁通量越接近要求的限值3100GS恒流(或3000GS恒压)

⑵满足磁芯损耗P铜损≥PCORE(BM)≥P阻

③使KP尽可能的低(恒流设计的正常范围KP可在0.5-1之间)如果对功率因素有要求时满足230VAC时要求大于0.9时KP在极限情况下不能超过1(这时系统始终工作在连续模式条件下。)从而减少开关损耗,有较低的铜损/电阻损耗

请参考《FLY反激变换器的关键参数VRO&KRP工作模式分析》

④在线圈之间增加绝缘胶带。

⑤变压器采用三明治绕法(拆分初级为两部分):减少漏感

⑥可以使用大一等级型号的磁芯(增加Ae参数):成本和空间允许的情况下

⑦变压器具体参数技巧:

⑴变压器的次级设计尽可能少的圈数

⑵减少BAC(交流磁通量摆幅)----减少变压器铜损和铁芯损耗。

⑶优化磁芯,BM.减少铜损比提高BM增加磁芯损耗更好!

5.开关电源系统的效率还跟使用的架构有很大的关系

比如降压型DC-DC/BUCK转换器图中标示了各点(1-6处)的开关波形,通过波形数据也可进行理论和实际的分析

器件的问题原理基本与FLY都相同;关键点BUCK电感!

对于上面这种非隔离BUCK电路的效率优化方法-电感问题显得更为重要!!

①设计电感让其工作在CCM(电流连续)工作模式(峰值电流小)-减少开关损耗,铜损和电阻损耗

②线圈之间加绝缘胶带----减少内部绕组的分布电容。

③应用大一个等级型号的磁芯(增加Ae)在成本和空间许可条件下。

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