本站有很多谈用开关电源做功放电源的话题,有说好的,有说不好的。各形各样五花八门,自认为已入门,深深体会到有义务,也很有必要与大家一起来揭解开她的面纱。只要你有一丁点焊机经验,我就能教会你做功率放大器专用开关电源。开关电源设计如按标准方式来设计的确十分麻烦,一大堆各式各样的计算公式让我等一看到就头痛,就算照公式套出来了也很难了解到其精髓。这也许是高频电路的魅力吧。

通过一年多的实地学习,反复做了几个类型的电路,对开关电源了解到了些皮毛,文中我将以最白话的方式给大家讲述其工作原理,设计、制作,关键、要点、各元器件的用途、选取方法等。实际做开关电源不会比做2030功放难,比做胆机就轻松多了。

一;开关电源基本原理,未来发展放向及潜力

开关电源是未来能源变换、传输技术的主要发展方向,其主要技术来源于脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM),以脉冲宽度和频率调整改变单位时间内的波形占空比例,脉冲本身可通过电磁实现电能变换,同时因占空比可调而实现高精度稳压。因其波形是以开关形式出现(即0,1方波),没有正弦波的中间过度阶段,按一周波计算,在同一时间内它传输的电能量比正弦波翻一番,更因开关管始终都只工作在0或1即全断全开,全断时当然没有损耗,全开即开关管全导通,只有C,E饱和压降存在损耗,即开关管始终在最小损耗区域内工作。不存在模拟电路C,E极几伏至几十伏的自身损耗从而实现高效率,还有一个重点是它的工作频率越高,功率密度就越大,以传统变压器设计是铜线的线径最大按3A/1平方毫米来做,开关电源如工作在60KHz时则按最保守的6A来设计,大部分在8-10A/1平方毫米,导磁材料大小大家都看到了我就不讲了。当然还有滤波电解电容,因工作频率高,其真实容量与工作在100Hz时完全是两码子事,这个差有多少估计很多同志应该能算得出来。高效率、高密度功率、超小型器件是开关电源最大的特点。

开关电源目前只处于起步阶段(行业占有率不足百万分之一,按世界能源总功率计算)。这意味着什么呢?以电力行业水利发电为例,传统的变换方式正直接用到的功率只有发电厂发电量的30-60%,大部分能量都在翻来覆去的高低压转换、传输中损耗掉了,假如将开关电源系列技术用于该行业(不会超过10年),就以目前中国的总发电量不变的情况下相当于无形中增加了3个葛洲坝水电站(没法计算,不算数哈)。

随着技术的不断进步,超小型、超大功率开关电源技术、器件的不断更新,就目前的尖端技术让我等也目瞪口呆。智能化能源供应及传输方式将首先代替传统的电力变换、传输方式,以目前最先进的高铁为例,电力传输方式仍用传统的传输方式供电,不能不说是一个与时代不同步的败笔,它是高铁故障最多维护最大的方面之一,谈未来电能传输不得不谈开关电源其中的一个技术(当然还在不断更新中),它就是RF(射频)开关电源的一个分枝。也称无线电能传输,说到这里很多同志可能就知道我要说什么了。太深奥了,我就不谈了哈!磁悬浮也属无线电动传输的一种,但它仍属传统的模拟形式,除高功率损耗外与现代智能化的基础也不兼容。认识了她你就就知道她是如何的妙不可言,可以去任意想象她的发展空间了,想怎么玩就怎么玩。PDA、手机等充电不用插头、线只是小儿科啦,我们离不开的汽车再过些年估计汽油会涨到100元/升(美元哈!不对,估计多年后美元不如人民币了),电动汽车肯定是唯一的选择啦!试想一下,当你出门驾车时不再用去看油还有多少,电瓶电量如何,把加油、充电站点通通抛到九霄云外那该是一件多么惬意的事情。特别是那些一天加几次天然气--可怜的的士司机们。这就是未来智能化能源供应的传输方式。首先应用的是充电汽车,其后应该是高铁了。高度智能化来源于目前全方位通讯系统的普及(实际应用与手机一样,只付服务费),如免费智能交通(好像国内大部分城市都以普及),车上的电瓶电量还有多少当然可以做系统检测啦,加上无线电能传输,驾驶员根本不用去考虑这些。是不是很神呢?!但这一切都离不开最基础的开关电源技术。

你说一下,音响发烧与开关电源发烧哪个更有玩头,这就是我玩音响几十年改玩开关电源的原因。其实最初玩开关电源也是为了将她引入功放。这家伙就会吹牛,把我都弄到云里雾里了,会不会做开关电源呀!还不开始正题。

二;开关电源的总类;

这里我就以最常见的几种简单描述;

1:反激式开关电源,它是目前应用最多,电路最简单、性能一般,成本最低的一个种类,由于电路特性,它一般只用在一百瓦以下的产品,当然也有做1000瓦的,但其性能、成本就不如选其它类型的了。本文我将以此类型开始,以后陆续推出500-3000W甲机专用半桥电源。

2;正激,可靠性高,输出功率相对于反激更高。以上两种也分单端与推挽之分,这里我就不多说了,跟功放一样。

3;半桥;双管,输出功率大,90%的电脑都是用它。应用最广,适合3000W内的开关电源及PWM调宽、PFM调频电机牵引,如民用变频空调,电动自行车、电动汽车调速等,她的变化品种也较多,如LLC谐振半桥等。效率更高,干扰更小。

4;全桥;4个管子分别处理一个周波的四个角,力大无比,常用在几千瓦乃至数十千瓦的超大功率开关电源,PWM调宽、PFM调频电机牵引等场所。高铁机车的核心部分就用是这玩意(瞎掰)。主要以工业控制、电、弧、超声波焊机等。半桥、全桥电源都属正激。按用途分又有隔离型和非隔离型,有升压、降压型,有AC to DC ,DC to DC ,AC to AC,DC to AC等。还有很多就不介绍了!

三;除了开关电源外还有一个东东有必要说一下,那就是PFC,是英文“Power Factor Correction”的缩写,意思是“功率因数校正”。

电能传输、使用过程中有很多的损耗类型,有前面谈到的高低压变换、传输过程的线性损耗,还有相当一部分非线性“损耗”,我为什么要把她引号起来呢?因为这部分损耗不一定真正没了,它可以人为地被转换或控制在理想的程度。

什么叫功率因数?这里我也用最白话的方法给没弄明白的同志讲一下,功率因素是交变电源的一个产物,最简单的理解方式就是电流、电压因非线性负载相位发生了变化,在一个周波里的电压、电流曲线移位差所带来的功率损失,电池、电瓶没这个问题哈,传统影响功率因数的主要是感、容性负载(容性电流超前、感性电流滞后),以感性如变压器、电机,日光灯等为主,直接用电力电容其加以补偿即可矫正。我们常看见电线杆上或变压器旁一个圆圆的玩意就是它了,早期40W日光灯整流器上并联的4.75uF电容功能相同,如取消不影响使用,但因其非线性,非带功率因素的电度表没法准确记数。但开关电源因它的特殊性其损耗及对电网污染方式、强度是不可能用传统的方式去矫正的,这就发明了PFC电路,凡加了PFC的开关电源我们就可以把它理解为一个纯粹的电阻负载。其结果比变压器来得更好,中高级产品都有加,当然也是国际绿色产品认证必须的。

估计大家都明白了PFC与我们玩开关电源功放没任何关系,只会增加成本!!说的更白一点PFC就是在公共场所不准抽烟。

开关电源用于功放代替工频变压器是肯定的,数字功率放大器代替模拟功放当然也是必然,估计再过些年将禁止使用工频变压器,就现目前国际绿色产品认证中有很多产品已开始禁止使用工频变压器了。更多的产品其要求之苛刻、工频变压器根本就不可能达不到。其间有人放不下传统绝对是正常表现,多年前你花了十多W买的一套模拟Hi-Fi系统到现在肯定还是无与伦比的,但CD碟片真的越来越难买了。多年来我几乎没再买过真正的24K金碟。谁能说胆机就不比晶体管机好。说模拟功放好过数字功放的人肯定占多数。庸人痛偏聪明人的事例累见不鲜。但世界在发展,技术在日新月异的进步,我们曾不相信的很多东西都在慢慢变成现实。

四;开工;

所有器件均用大路货来做,想发烧的烧友请绕行,其间的原件制作、主要指标测试均以图片、动态视频的形式展现给大家,宗旨是以最简化的方式让有心的同志们搞懂开关电源,并做出自己的开关电源功放,有更高水平的大侠们千万别拍砖,要想学到高新技术的同志们可以在这里入门后再去研究。

在供应商给的几大箱样品里找到了几片TI的TPA3123D2数字功放芯片,就是它了。做BTL推小书架箱做多媒体功放绝对有余。电源就用风行近10年的UC3842按反激开关电源来做。

功率预估;TPA3123D2 BTL可做到50W/8R,效率看资料能上90%,如PCB用双面板的话不要散热器好像能搞定。利用PCB铜皮散热,即电源功率理论上超过100W即可搞定。其实TPA3123 BTL不可能输出50W。用UC3842是再好不过了。

1:开关电源的构思,根据经验得知,正宗音响用电源往往是以功放最大输出功率+损耗来设计电源的,实际用时100W的功放不肯能开到50W,最常用是10W左右,充足的能源储备是高质量音频的终极来源。

在开工前我想首先给大家讲明一个误区,很多人认为开关电源不如传统变压器的原因是过载能力差,更专业一点的还知道因稳压原因的负反馈环路瞬态响应等差等,其实这些都是错误的,原因很简单,目前市面上出售的开关电源几乎没有专为音响设计的,开关电源有一个好处,就是输出功率大小可以自己设置,50W的成品如你了解它的原理后你可以把它设置成100W,150W用于功放也不成问题,关键在平均功率的大小,因市面所有开关电源大都是给恒流负载用的,任何时间内其功+耗为80%-100%,长期这样的满功率电源肯定受不了,所以生产厂商为了提高产品的可靠性事先已将电源输出功率给固定了,因属恒流供电,其反馈回路也是按低瞬态响应设计采样控制以提高可靠性,超过就保护,根本没必要做高瞬态响应。音响用电源肯定不是这样,乙类平均音乐功率最多只占电源功率的30%(音乐功率不是正弦波的测试功率哈),100W功放只用10W放音电源的平均功率就更小了,你说把50W开关电源弄成150W做音响电源奇怪吗?再说说你买的50W工业用开关电源,它的保护点就设置在51W处,给功放供电能行吗?不软脚才怪。其实开关电源的过载能力远比我们想象的要大的多,想更深了解当然不止是我说的这样简单。

还有一个要说明的是电源内阻,变压器内阻与其功率有关,而我们玩的功率放大器对电源内阻的要求越低越好,不能不承认选大功率变压器的同时还有能得到更低电源内阻的原因,开关电源在这方面就远比变压器好,不同功率大小的开关电源其内阻变化不大,稳压型更是如此,我们甚至可以把它设置成“负阻”,变压器在大功率输出时会出现电压降,这很正常,开关电源则可以把它设置成电压升(与电源的功率大小无关)。你说这正常吗?按传统的说法这是不是负阻?(强盗逻辑)

前面我讲了过载能力,现在我再谈下电源的驱动能力,这个名词在音响中很少用,在我看来这对音响非常重要,50Hz整流后为100Hz到滤波电容,即电容(所谓的大水塘)每秒有100次充放电机会,但功放工作在20-20KHz,中间是不是电容有绝大部分无能为力的时候呢?大家可以算算有多少时间这个大水塘没有起作用,相反,当功放在X一频率时需要较大的“动力”,但我们寄予希望的大水塘刚好在充电,这个结果我就不在讲了。

开关电源因工作频率远高于音频最高的20KHz,稳压的环路调整密度几乎所有的开关电源芯片都能达到逐周调整,这个周不是市电的50周哈,是指开关频率的单个周波调整。以100KHz为例,功放就算最高的20KHz时每周也有多次调整率。开关电源不需要大水塘,原因很简单,因电容的容量与其工作频率有关。当然也没有讨厌的交流声。确定了UC3842反激按120W设计,也就是说平均功率120W,但我们把她设置为300W来应付TPA3123D2功放的动态范围,其使用与模拟电源用于本电路的300W工频变压器供电完全相同,不同的是电源内阻可以是0R或-(高精度稳压)。估计电源长期工作没有温度。

开关电源原理图如图一

本电源设计要求;

输入电压:AC 80-265V,50-60Hz,DC110-420V(不分极性),即全电压工作环境。

开关频率:58-65KHz

输出平均连续功率120W,任意输出电压(超过15%换高频变压器)。动态功率300W。

空载功耗:不大于3W。

效率:初步定在85%,低压110V输入时不低于82%。

稳压:高精度稳压 1%,超过250W后不大于2 %。

输出纹波;本机24V电压输出纹波控制在60mV内

全功能保护;输入过压、欠压,浪涌冲击,输出短路,过流(超过12.5A)、温度(超过C90度)全自动停止工作,(有软启动,本机不用),故障排除自动恢复。保护模式为间隙打嗝。十年不坏。不设PFC是为了不给初学者增加制作难度。学会了要记住加哈!直接接在220V输入接线柱上就行了,不分极性。电路介绍;UC3842为8PIN DIP直插 和 SOP8贴片封装,详细参数请下载UC3842中文资料.pdf

1)输入电路:JZ1为市电80-265V AC或110-420V DC(PFC)输入端,不分极性,L1与4个X,Y电容组成供模滤波电路,它的作用是不让机内干扰进入电网,同时也防止市电干扰进入本机。R2是由负温度系数热敏电阻构成的浪涌吸收,主要用途是防止通电瞬间因大电容充电引起的大电流损坏输入电路。

2)整机工作电源回路;整流后的直流电一路进入高频变压器给MOSFET开关管,另一路通过R3降压后提供给主芯片一个启动电源,这个电源与本机芯片供电电路并联,当电路被启动后高频变压器开始工作,各绕组有电压产生,绕组C接替R3给IC供电。整机进入正常工作状态。

3)震荡电路:由IC R/CPIN与外接R21、C20组成,改变不同的值可得到不同的开关频率。

4)开关电路:IC O/P PIN为开关信号驱动输出,D1,R8组成缓冲,主要用途是磨去驱动信号上的凌角(滤波),已减小开关电路工作时产生次生干扰(EMI),当然也会减弱驱动能力。

5)开关变压器:与传统变压器原理相同,反激电源最少有三个绕组,原边与电源与开关电路形成主回路,供电绕组负责给IC供电,副边为电压输出。

6)整流滤波:由于反激电源的特点,用最简单的半波整流即可完全索取已变换的电能,这也是反激电源成本低最主要的原因。普通LCπ型滤波电路就可以满足要纹波要求。

7)反馈回路:这部分是开关电源可靠工作,提高各方面性能的重点,各类型开关电源其反馈电路基本相同。它们主要由采样,基准电源,原、副边隔离的光耦电路组成,基准电源的主要用途是提供一个极其稳定(排除温度等外来影响)的电压源与被采样的信号进行比较放大后通过光耦隔离传送给主芯片做相应控制处理。

本机采样电路分两部分,R5在这里有两个用途,一是给光耦提供电能(不同输出电压参数不同,得根据光耦参数来确定),另外一个用途则是给基准电源提供整机直流输出最前端的峰值电压反馈信息,这个峰值与开关电源主开关频率基本同步,是实现主芯片逐周控制最基本的反馈信号,有很多开关电源将R5直接连接在输出端,或者根本就没有LCπ型滤波而直接电容输出,凡这种电路结构的就基本放弃了主芯片逐周负反馈控制的功能。市面上大部分反激电源属此类(纯直流反馈)。R9是稳压采样端,进入由TL431组成的基准电源可编程端与R5采样信号混合,在这里还有一个R20、C17组成的RC网络,很多人包括部分开关电源设计人员并没有搞懂他们的用途,因从很多的所谓“名牌”产品中就可以看出这个端倪,电路相同,但参数设置不合理,其结果同样是放弃逐周控制功能。这个网络的主要用途其实就是精确控制R5,R9混合信号的比例、整型、微调,R8则主要控制线性范围的用途(保证整个控制范围内线性平直)。反馈控制信号通过光耦被送至芯片comp端,R24,C19滤除尖峰信号后进入芯片做控制信号源。

8)保护电路:任何高级的电路如没有绝对高的可靠性就没有任何意义,开关电源更是如此,它几乎预计了所有可能出现的问题并可靠加以相应的保护,

本机大部分保护功能由IC自己完成,但需要准确的外围原件配置,入输入过、欠压,Vcc PIN 内部有检测装置,但外部原件参数起关键作用,过流、短路保护也同样由IC自己完成。本芯片不带温度控制,我在IC供电回路串入了PTC温控继电器RT1,当温度超过C90度它断开,IC电源只有R3提供,它与C8构成了一低频震荡,即打嗝工作状态。这里主要介绍输出功率限制,即超过功率保护。它是由MOSFET管S极电阻R17与C15组成,当单周波进入IC IS端的电压超过一定值时芯片进入保护状态。为了避免吴动加人了C15做峰值滤波。但该电容不能太大,否则就起不到保护作用了(与频率有管)。调好后其功率误差可以做到10%比例起控。过流、短路保护,在这里还有一个电路可以实现过流、短路保护,R15,他除了能检测市电输入电压外也能检测本机输出的负载过载情况,当输出功率无限增加时,开关电路会加大占空比保持输出电压不变。但因IC供电电流不变,该电压必然上升,上升的高度就能体现输出功率的大小,这也是一个非常精确的过载信号。本机原来图有标明,但实际应用没装。基本原来先介绍到这里,具体待调试时根据需求做更为详细解答。

数字功放原理图如二

2、电路主要原件选择及制作;

这一步估计很多同志会打退堂鼓了,我当初也是这样,原件制作的确是件很麻烦的事情,要达到各数据的准确无误单从想像上去理解就能让你出一身臭汗,我当时的做法是撤成品来对照作做,但一通电不是放烟花就是不能带载,想在网上找点啥适合我等水平的现成资料真的很难,对业余玩家更难的是还必须有必要的仪器设备。真是这样吗?我一度怀疑自己能否进入这个门槛。细想一下开关电源地特点,输入电压宽。。这就意味着设计误差可以很大,关键是怎样弄清关键点,以开关变压器设计为例,

说句大家都不相信的话。变压器参数你可随便设,别人原边用40圈你可以用15圈,别人副边用12圈你可只用4圈。这个设计误差大于70%,这在任何产品设计里它肯定都不可能达到母的,在相同的频率下是否都能正常“工作”呢?回答是肯定可以。这就是开关电源设计的随意性,很多同志看我把正常“工作”二字用引号起来似乎就不能正常工作了,其实它同样能达到我们目的---先进门再说其他的。

以3842反激电源设计制作的关键点只有一个,输出电压与反馈电压(IC供电电压)的准确性,这个所谓地准确性是为了满足IC的正常工作范围,还是以开关变压器为例,原边多少圈先别管,220V你绕20圈也行,60圈也可以,要做出第一个电源关键点不在哪里。前面我讲过了,3842有除温度以外的所有保护功能,这些保护功能全在市电输入、反馈电压输入端,稍有不对电路就没法正常工作,很多想玩开关电源的人都是被这些保护功能拒之门外的。一旦你了解了这些,真的是你想咋弄都能成功。

反馈电压与输出电压的关系;我们很多玩家在弄反激电源时老是把注意力集中到输出上去了,对反馈电压可能到最终彻底玩完时也没有去测试过。从芯片DataSheet上可以看出,IC正常工作电压是12-30V,超出或低于都不能正常工作。其实这个电压范围已经很宽了,50%设计误差都能满足。反馈绕组与副边绕组同属变压器次级绕组。理论上电压变化相同,以24V输出按4圈设计为例,每圈6V电压,反馈绕组2圈刚好12V,此时再做带载试验,只要满载反馈电压不超过30V均正常。如担心芯片工作电压太高你加个几R或十几R的电阻降压也行,但必须保证空载工作正常。当然你也可以把副边设计成6或20圈。以输出电压为参考点按每圈伏数设计反馈绕组IC最低工作电压12V就OK了。这里完全不用考虑原边220V的原以固定圈数。这就是绝大部分反激式开关电源地关键点。是不是很随意呢?要高水准要求肯定不是这样简单啦。开关变压器还有一个重点的是注意各绕组间的相位关系。

1)原件选择;

在本电路中暂不考虑成本,主要以强过载能力方面为出发点。开关管选TO-220封装的20N60MOSFET管20A/600V,零售价不超过10元,120W输出大都用8N60 = 8A/600V,2元左右。整流管用MBRF30100 30A/100V两个共阳双肖特基管并联,3元/支。还有一个就是开关变压器了。反激电源对铁芯的利用率是最差的一种,这里选PQ3530 PC40铁芯,理论做反激在160W左右(其他类型300W以上)。PQ是铁芯的形态,3530是铁芯宽度是35MM,高度是30MM,PC40是材质,PC40是质量居中的产品。价格带骨架3-5元/套就有卖,加上铜线不超过10元,这就是本机主要元件了。其它原件的价格大家看原理图应该能计算得出来。

单端反激电源开关变压器与单端音频放大器变压器一样,因有单向直流存在容易引起铁芯磁饱和,所以必须加气隙,这也是反激电源铁心利用率低的主要原因,磁饱和的原理大部分同志应该都知道,一旦出现变压器原边电感量为零、就相当于220V电压短路。这是开关电源炸机的主要原因。当这一情况出现时,任何高级保护系统都没用。引起磁芯饱和的原因主要有两个,一是气隙太小,另一个是温度太高,PC40材料最高不能超过120度,此时的温度用手是不能摸了。反激电源开关变压器气隙在没有仪器检测的情况下越大越保险,所损失的是最大功率输出。在没有参照的前提下以0.5-1mm就可以了,最准确的参数你别想在哪里能找到,也不是那个公式能准确计算出来的,这与不同的电路结构,原件参数、甚至PCB排版、实际工作条件数据有关,这得靠你在电路工作基本正常的基础上针对各个参数要求反复调整到最佳值。

先发些3D设计图上来。

不平衡转平衡输出

Mute部分

输入及辅组电源部分

开关电源部分

电源底层

原理图中D5是反馈电源整流管,因电流不超过50mA,可选用任何小功率高频二极管,如1N4148、RF102-107等。D4为脉冲吸收网络二极管,主要吸收开关变压器漏磁引起的反向脉冲。这个脉冲的大小与变压器设计制作、工艺、材料质量有关。未知数较大,选取时应充分留有余量。这里选2A/800V高速管。

电路中所有电解电容都必须用高速电解电容,这在当今市面都能找到,千万别选那些所谓的发烧电解电容,一方面假货多,另一方面就算是名牌也不一定是高速电容,最简单的辨别方法看最高工作温度,标105度以上的一般都是,还有就是生产日期,凡近几年的产品大都属高速电容。在线检查的方法也很简单,正常工作的开关电源空载工作几分钟至半小时,其间用手摸各电解电容的温度,低于微温的均0K,如真是低速电容一般会很高温度。满载时输出电解电容温度高是正常的。

有幸接触到一款较有名气的国际品牌全数字舞台功率放大器,这款放大器采用1U标准机箱设计,1.5KW X 2 /8R 初见面让我感觉到字面功率肯定远大于实际功率,但当我做完全是面测试后才真正领会到该机电源的勇猛,换4R双声道同时测试很轻松就上了2.6KW x2,我测试过很多名牌专业功放,从电源短路试验的短路电流看就能感觉到其动态反应速度之快(看火花即短路烧痕小于100W电源的短路电流),有此能力的少之又少,毕竟只是1U的标准机壳,这让我兴趣大增,当然主要原因是帮一老板做高仿。我到放大器厂商网站下载了全面的应用资料来全面研究。手头有两台同样的机子,有一台可做破坏性试验,我最感兴趣的当然是开关电源部分。看主变上的信息该电源应在5KW左右,单测电源部分按15秒间隔加载到12KW输出电压竟然纹丝不动,肯定不是开环的了。连续间歇工作半小时后温度开始升高,靠低板的四个超薄型风扇分别按不同温升分别启动,虽然可继续做破坏性试验,但能上这样这样的功率已经是非常难得的事了。

高频变压器制作要准备的材料:特氟龙套管,常用的有0.5,1,1.5mm。

特氟龙套管主要用途是将线头从线包里引出到骨架接线端。估计属高频绝缘专用,耐高温,传统绝缘很少见用。业余没有不用也没啥大问题。PQ3530 PC40 铁芯,骨架,迈拉胶带,无纺布。

迈拉胶带就是黄-色(这两个字不能连打出来)的那种,是层间绝缘必须的,宽度要适合本骨架宽度,业余制作在没有针对性时可尽量买宽一点的,实际应用时用刀片按要求宽度旋转割开即可。无纺布是较厚的一种高压绝缘粘胶带,也叫挡墙布,常用的有0.5,1,2,3mm宽度,安规认证必须的,不做安规也可以不用。

各绕组分布图

连接原理图

这个图多了一个铁芯中心柱屏蔽层,主要目的是屏蔽中心柱气隙所产生的电磁辐射,过EMI认证必要的,可以不用。也可用0.9圈铜皮接5PIN原边地。

PQ35铁芯同等功率对应EE,EI,ER,EC42(400-500W电脑电源用得最多),做反激式开关电源在200W内,EE,EI三个端面都是方型的,ER中心柱是园的,两边是方的,EC与前三种尺寸完全一样,但造型跟PQ相仿,其实PQ就是EC的改进型,但体积缩小了近1CM,实际应用主要区别是前几种散热条件、占窗系数优于PQ,其它特性均不如PQ型,因PQ量大,目前的价格以开始低于前几种。各位玩时可在这几种中任选即可,绕组圈数不变,当然也可用目前费品最多的350W以下电脑电源的EE,EI,ER,EC35.40铁芯,绕组圈数也不变(本机变压器设计因考虑要配PFC是按最高DC400V输入设计的,原边圈数偏多,静态功率超小)。

反激型开关电源高频变压器相对其它几种类型要求更高,其主要是漏感,其次是分布电容,两个参数越小越好,减小这两个参数的办法与胆机输出变压器要求相同,做法也基本一样,但因圈数实在是太少了,原边40来圈份两组绕,中间就几圈完成副边,即三明治绕法,反馈绕组放在最外层,真不知难点在哪!

有关变压器参数设计在本帖里我不讲了,原因有两个,一是我也和大家一样没搞懂,还者说似懂非懂。二是有些被芯片商给弄糊涂了,或者说我了解的还很不够,各大芯片商都有针对自己芯片专门的高频变压器Excel设计表格,以3842为例,同一型号不同厂家设计出来的参数相差很多,变形品种如BD系列等就更不用说了,市面上也有很多专为高频变压器设计的软件那个误差就更大。

其实高频变压器设计与太多因数有关,特别是铁氧体磁芯,相同材料不同厂家不同批次最佳设计参数都不一样,没有一个工厂在一个产品成熟后敢轻易换供应商,因市面上大部分电源都是满载恒流供电,工作条件几乎到了极限(成本),稍不留意就没法正常工作,也许就是在大家心目中对开关电源产品抹不去的阴影。有没有更简便的设计方法呢?还是那句话,你如真正了解到其原理后这一切都会变得很简单。下面是我自己在反复实验下总结的开关变压器设计方法即原理如下。

开关变压器设计主要依据是最低、最高电压输入范围,由开关电路的最大占空比确定副边的匝比,即设计最低电压输入时首先考虑副边有能力输出到设计功率,此时开关电路占空比接近最大(UC3842是50%),可直接在数字示波器上读出该数据,业余条件下的辨别方法是当继续调低输入电压或加大输出功率整机都无法正常启动并进入打嗝保护状态。更详细的我将在调试时给大家介绍和演示。当然你可以减少原边圈数来改变更宽的电压范围,但必须考虑到最高电压时整机的静态功耗。我的理解这应该就是反激试开关电源高频变压器设计、验证的要点。低压调好后转回到高压265V测试,没有设备的同学首先空载开机半小时,我对变压器设计是否OK的标准静态功耗,以MOSFET管、整流管、高频变压器无明显温升为准。变压器原边圈数如太少,低压肯定没问题,但高压时的静态功耗往往偏大,当然功率输出的驱动能力更强,更容易得到以最低成本最大功率,想一下一个变压器用相同的铁芯,一个原边绕40圈,另一个只绕20圈,整个变压器光铜线就节约了一半,说不定人家用20圈的最大输出功率更大,当然此时的各类不容易控制的干扰也越大,因总圈数少占窗面积小,散热更好。市场上产有相当一部分都是按这样的设计,特别是LED、舞台灯光行业。圈数过多高压很好,像我们这个电源静态做到3W甚至更小都没问题,但同样会有因电感量大漏感也大开关脉冲干扰等问题,但这类干扰相对比前种容易控制。还有就是最大功率损失。这也许就是高频开关电源脉冲变压器设计的要点,说设计有点勉强,改为较正比较合适,这就是我玩反激式开关电源做变压器的心得。我说起来很简单,其实真的也是这样简单,但要让一个没有玩过的人来做基本不太可能,因我这里只谈了高频变压器各绕组之间的关系,调整要点。与此有关的还有电路上很多相关东西。

下面我给从没玩过开关电源又准备玩的朋友支一让你少走弯路的招,先花几十元买个成品来玩,从变压器改造开始,本帖基本从头到尾以介绍了以3842为主各个原件的用途即选择要点,按我前面的各个电路组成部分分别去应用理解,很快你就能真正做出自己想要达到的目的。

关于绕变压器铜线的选择;高频变压器因工作频率高,流过载体时会有集肤效应,单线截面积不能太大,或者说越小越好,当然与工作频率有关,但这些毕竟只是理论值,业余玩家们总爱拿些“专家”或高深莫测的理论来吓唬自己,有这个时间还不如做点更适用的东西,从众多的产品解剖,自己的反复实验,这个区别有多大我真的还没测试出来。那些做过电鱼器,高频大功率正弦波逆变电源的朋友应该更有说服力,因他们用的线更粗。也许我还没玩过真正的高频吧!这里我还是按隔壁专业网站的普遍说法,100KHz内单股线经最好不要超过0.6MM以上。

线经的计算方法;这个与传统变压器方法相同,只是载流量随不同的频率而不同,频率越高载流量越大,本机按7A/平方毫米计算,注意是截面积不是线径。从上面变压器设计原理的知,原边最大电流在设计最低电压处,必须以此为参照点设计原边线径,副边则只按最大电流设计。当然如你你只是自己玩或者说就算要批量生产而只在国内用的话就没有必要按80V设计最低电压输入,除成本外占窗空间留大点也帮助散热。

本机最大功率300W,留15%损耗,最大功率345W,220输入最大电流1.51左右。最大截面积不得小于0.45,副边24V/12.5A最大截面积不得小于1.78,原边这里选用4根0.38并连(单线截面积0.1134,共0.4536),副边用8根0.51并连(本机为方便绕制改用两个绕组后并连,单线截面积0.2043,共1.6344)。因本机是工作在动态功率下,平均功率不超过30%所以没有按恒流负载最低电压设计。如全电压恒流负载必须按最低电压设计原边电流,这样铜线的用量会大很多,按本例较保守(安全可靠)的设计铁芯的窗口根本就绕不下,要达到这一目的的唯一方法就只有减少原边的圈数和增大载流量来满足占窗系数。

上面是变压器设计的几个要点,在实际变压器制造过程中同样有大量可调整空间,这里主要针对的当然只是制造工艺跟人工成本问题,如本机设计原边是42圈分两层绕,一进一出刚好到接线柱,为什么非要42圈呢?因加挡墙每层刚好绕21圈,变压器设计要保证生产工艺的实际应用性往往比变压器本身设计更重要。要兼顾这两点的唯一办法就是选配不同的线径,股数在总线径变化不大的情况下来满足。

变压器绕制过程完成,镜头靠得太近了视频有点模糊,但基本上能看清楚,本想加字幕的,但时间有限。点击下载

调试步骤:反复检查没有问题后首先准备一个白纸灯泡(要玩的快去买,国家已开始禁止用白炽灯了,估计这两天以开始涨价了,买来做收藏也很不错,说不定几十年后能涨到上千元一个,全系列我每种买了20个,嘻嘻,等着发增值发财吧),用它来干什么凡玩过早期彩电的都知道,串在220V输入线路中,就算电路中有问题也不会烧原件。开关电源跟彩电是一样的,一般100W内串60W以下的白炽灯,如电路没问题空载各项指标均不受影响。但不能带载,调好静态后再去除。任何开关电源都可以这样,但凡带PFC和部分正激电路的结果不同,如串入灯泡只会出现打嗝启动,但你只要看到输出指示灯有亮过就可说明电路中没啥大的问题。

原理图中的为需调试带定的原件:

1:R4是尖峰吸收,因变压器不同绕制数据、工艺所产生的尖峰脉冲不一样,过少吸收除干扰外开关管也很危险,过多吸收会降低效率,发热量也大。所以需最后做调整,一般在47K-82K范围,这个电阻最好是2W以上的。主要参照是尖峰脉冲的高度。本机用600V管子,尖峰脉冲不超过500V应该OK。

2:R11与R4原理与上面差不多,一般在10-47R/2w,C14与频率有关,本机在1000-2200P/1kv,两个原件组成RC吸收网络。下面R10,C13画重复了请取消。

3:R9是副边电压(包括输出与反馈同步调整)主调整,调整前先把下偏置R25 1K微调电位器调到中间位置,在主调整电阻调好后做正负15%输出电压微调。因输出电压与反馈电压是同步的,输出电压调整范围太大会使反馈电压超出IC的供电范围而出现过压或欠压保护。

久等了,先上装好原件的图片——电源板。

功放板

给功放板加个散热器

磨气隙

磨好气隙,约0.7mm,如有电桥最好,1-3PIN电感量在400-500uH之间即可。测试条件,F=1KHz ,LEV=1V,只磨一边就可以了。

装上铁心绕5圈迈纳胶带固定,变压器完工,原则上要浸柒,但玩的话方便进一步调试可先不浸柒,待完全OK后再撤下来浸。

装上变压器

低板

因这个电路我玩好长时间了,所有原件参数基本都以固定,所以一通电开机就完全正常,

用自制6KW自偶调压调到260V先空载半小时看有无原件有不正常温升。

空载高低压没问题后再装上散热器(外壳)加满载先烧它24小时再做动态测试。用的24V100W灯泡两个并联,实际电流差点7A,超过了我们设计的平均输出功率,输出电压比空载时还稍高一点。用灯泡做负载测试开关电源是很苛刻的,因低压灯泡的灯丝冷阻很低,启动电流大都是工作电流的一翻多。市售产品大都禁不起这样的折腾。在电子负载上没问题,但带满功率灯泡负载往往启动不了。这是音响用电源最起码的要求。

电源老化测试完工

老化条件; 输入AC 220 50z 变频可调稳压电源,常温(广州这两天有20度吧),空载2小时,输出电压24.09V ,输入静态电流28mA,超出设计标准(其实普通反激做不了那么小)。平均功率165W环境温度下满载烤机24小时完成(输出电压24.11V/6.87A)。未发现明显过温情况,当加载到180W后2小时后温控系统保护,电路进入打嗝保护。

动态测试;最大功率到295W是输出电压24.11V,电流12.269A,当达到300W时进入打嗝保护。基本达到设计时的动态功率需求。

稳压能力;整过范围均保持在0至+0.03V范围,超出设计要求。

效率;平均满载输出电压24.11V/6.87A =165.64W ,输入电流 0.817A,输入功率=179.74,效率为92.15.

动态功率测试必须在冷机条件下进行,因效率变低功耗大温升快。

动态功率到输出电压24.11V/10.272A=247.66W,输入电流1.229A ,输入功率=270.38W,效率为91.59

动态功率到输出电压24.11V/12.269A=295.8W,输入电流1.505A ,输入功率=331.1W,效率为89.3

看到这样的高效率大家一定认为不可思议,几十K频率的反激电源能做到这个效率是不可能的,主要问题在哪呢?其实这就是因为功率因素未进行矫正,有大约5%的损耗非带功率因数补偿矫正的设备所不能准确测试出来的。一个小小100W级开关电源就有十多瓦无工损耗流入市电网络是件多么可怕的事情,变压器当然也有这样的问题但比起开关电源要小得多,这就是开关电源必须使用PFC的重要原因。

下面是实际测试图片;

295W时实测电压、电流图片。带载20分钟进入过温度保护状态。

平均输出功率时输入电流

动态247.66W 时输入电流

动态295.8W 时输入电流

入门容易保持难,不要好高骛远,凡事从低做起,没事别给自己找麻烦。打击自己的自信心等同于自杀。反激电源是开关电源技术的基础,学好了它再去玩其它的就轻车熟路了、

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