200W開關電源功率級設計方案(2)
在講述的設計中,通過L1的波紋電流的振幅被選定為輸入電流的20%。在這種選擇下,電感可以根據下列等式(5) 計算∶

給出的電感差不多是1mH。當RMS電流等於RMS輸入電流時,L1的峰值電流是

在這個電流和5A/mm2的電流密度下,所需的銅線截面積約為0.58mm2。 由於高頻電流僅為輸入電流的20%,趨膚效應和鄰近效應不是很明確。三或四條細電線并聯總面積能夠達到所需面積就足夠了。在實際設計中,使用了三根直徑為0.5mm的電線,電流密度略低於5A/mm2。L1 的磁環尺寸根據被稱為磁環區域乘積Ap確定,即有效磁性截面積和繞組面積(骨架)的乘積。這個乘積很容易證明是

其中ACu是銅線面積,Bpeak 是飽和磁通密度(對於大多數鐵氧體,≤0.35T)。fCu是銅填充因子,對於簡單電感,約為0.5;對於含有幾個線圈的變壓器,約為0.4。確定這些數據後,L1的Ap需求值是

基於慣例,對大多數磁環,磁性截面積和繞組面積非常相近,需要的磁環面積為

因此,對於我們的應用,一個合適的磁環的Ae約為122mm2。雖然,要找到此磁截面的磁芯并不難,但電感的高度由於應用要求被限制在25mm。因此,經過一番對磁環和筒管規格說明書仔細搜索之後,選擇了EER3542,它的Ae為107mm2,AW為154mm2,得到AP約為16500mm4。
其中AL,0是無氣隙磁芯的AL(查磁芯規格書),有氣隙的磁芯的AL是1mH/1242=65nH。如果後兩個值的單位是nH,Ae 的單位是mm2,那麼氣隙長度s 的單位是毫米。在這次設計中,氣隙長度約2 毫米。
3.3 Q1和D1
因為最高額定輸入電壓是265VRMS,Q1的最大漏極電壓為500V 似乎足夠了。但是建議使用一個額定電壓為600V的MOSFET,因為經驗顯示這個600V MOSFET,能夠承受浪涌測試,根據無損壞IEC61000-4-5標準,而500V類型則需要額外的浪涌電壓限制器。同樣,這對於Boost二極管也是有效的。這是因為電解質電容C5能夠吸收大量能量,保護一個600V 器件,而不是500V器件。Q1和D1的峰值電流和通過L1 的峰值電流是相同的,即4.5A,而Q1的RMS 電流為∶

D1的RMS 電流為∶

尤其對於MOSFET,低功耗和峰值電流是選擇某些器件的重要考慮因素。
經過一番計算,選擇了一個最大RDSon約為0.45Ω@100℃的SuperFetTM FCP16N60。Q1 的總功耗分成傳導功耗和開關功耗。傳導功耗如下∶

開關損耗進一步分為,由於源漏電容(加上寄生電容的,例如L1 和PCB)放電導致的功耗和由於開關過程中電流和電壓重疊帶來的功耗,以及D1反向恢復帶來的功耗。所有這三項都無法確切了解,但可以根據下面的表達式估計∶

FCP16N60的COSS,eff是110pF,而雜散電容Cext估計為150pF。50ns的交叉時間tcrossover 是一個合理的估計值,并且得到測量確認。二極管反向恢復導致的功耗預計為2W。最終,Q1 的總功耗是∶

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