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想用Labview做一个反激电源设计软件,labview2013仪器驱动程序编写

时间:2024-03-05 12:00:02 阅读:688 作者:李伟桐

软件已上传,界面如下图

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图14-1-1 电路设计界面说明

此软件的参数设置同通常的电源设计方法相同,界面中部分元器件参数旁有个小方块点击后表示参数锁定,右下角有两个按键Ulock All和Lock All可以用来同时全部锁定或全部解锁。

因这里面的参数都是相互关联的,改变一个参数就会引起其它参数的变化所以在参数设置好之后要将“元件”参数锁定,这时改变电参数(如电压、功率、效率等)就能够得到电路在不同工况下的工作情况。

以图14-1-1为例,图中给定了一些设计目标参数比如输入、输出电压、功率、频率、占空比、波动等,但要达到目标参数有些元件参数是无法实现的,比如匝比、电容、电阻取值并不是随意的,这时可将元件参数锁定后修改为可实现的值。

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图14-1-2 元件参数锁定并取整

如上图当元件参数锁定并设置好后,电路中的电参数会相应的发生变化反应的是电路实际工作状况。

这个软件可以很方便的验证参数设计的是否合理,比如在元件锁定的情况下改变输入电压(可高低压切换,也可直接输入),将输入电压切换至260V高压。

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图14-1-3 高压输入工况

如上图高压输入时MOS管的Vds=543V<600V,输出二极管反向电压252V。

再比如可以改变输出功率从而找到临界模式时的功率。

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图14-1-4 临界功率

如上图当输出功率为57.5W时电路刚好达到临界状态(深度系数K=0)。

电路设计功能后面的公式及流程如下

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表14-1-5 电路设计功能的公式方程组

这个软件实现的功能就是解这个方程组(水平有限,上述公式如有错误烦请指正)。

上述公式中要注意深度系数k值的定义,因在有的资料中深度系数定义为Krp与这里的k值定义相反既Krp=1-k。这里的k值定义如下图

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图14-1-6 公式中k值定义

断续模式中实际电流波形不存在负值,这里用虚线表示,断续模式的k值为负值,K值的整个取值范围为1到-1。

一个反激电源按下图参数进行设置同时将Saber仿真软件也按此参数设置,将两款软件结果进行对比仿真。

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图14-2-1 用于仿真对比的参数设置

首先是输入188uF电容上的波形对比,下图分别为同功率下110V输入和220V输入时的仿真波形对比。

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图14-2-2 输入电容上的波形对比

如上图14-2-2用公式法描绘的输入曲线同Saber软件的仿真结果一致,可证明所使用的输入电容计算公式是准确的。

其次对连续、临界、断续三种模式下的电流进行对比

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图14-2-3 电感电流对比

上图是在负载、占空比完全相同的情况下得到的仿真结果。

再次、低压输入时连续、临界、断续模式下的Vds电压对比

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图14-2-4-1 低压输入三种模式Vds电压对比

满载高压输入时的Vds电压对比如下

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图14-2-4-2 满载高压输入时Vds波形对比

最后通常输出纹波的对比验证输出电容的计算公式

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图14-2-5 高、低压输入时的纹波对比

关于用AP法公式算变压器感觉不太靠谱,在一些资料中也有所反映,举一个例子一个60W的反激f=100KHz,D=0.5,Bm=0.25T,Krp=0.7 算得AP=0.48(cm^4),查表磁芯EI28的AP=0.58cm^4比较接近,考虑到损耗选择EI30磁芯AP=0.91cm^4。

第一个问题在用AP算法用的是视在功率已经把损耗考虑进去了为何还要再次考虑损耗?

第二个问题即便再次考虑损耗所选的磁芯与计算的磁芯相差也太大了(本例中实际选用的是EI33磁芯 AP=1.58cm^4)。

AP算法分解开来可简化认为是磁芯中的最大磁通密度B和导线中最大电流I的乘积,但磁芯的B和导线的I的乘积并不能直接反映出磁芯的储能及电感量的关系,从公式上推导AP法的公式应当是AP=Po*L*k/(J*Bm*f)的关系,如下图所示

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图14-3-1 同AP值下的功率和电感的关系

如上图在同一AP值下磁芯处理的功率越大所能实现的电感值就越低,在处理相同的功率Po时如果电感设计为Lm1则选用AP1就可以了,如果电感设计为Lm2则需AP3,在常见的AP算法中并没有体现出电感的影响因而会出现算出来的是AP1实际需求是AP3的情况。

由基本公式推导出的带电感参数的Ap算法如下

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下面的表格是EE磁芯的参数及根据上述公式计算得出的不同模式下的Ap值

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表14-3-2 EE磁芯对照表

表14-3-2中蓝色的Ap为手册数据,红色的Ap(k=0)为临界模式计算的Ap值 ,Ap(k=0.7)为连续模式k=0.7时计算的Ap值。。

如表所示连续模式时的Ap值要大于临界模式的Ap值,随着功率增大计算的Ap值偏差会变大,手册上的Ap值估计是考虑了温升而设置的(如表中计算的温升近似相等),所以在计算Ap值时或许应同时考虑功率和温升问题最终选择Ap值大的那一个。

PQ磁芯的参数及根据公式计算的Ap值对照如下

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表14-3-3 PQ磁芯对照表

下一步是磁芯选择,原则是磁芯的Ap值要大于等于计算得到的Ap值,软件中增加了磁芯参数表以为方便查询和调用。

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图14-3-5 磁芯数据表

点击磁芯选择按钮(图中红圈处)则弹出磁芯数据表窗口,通过双击导入需要的磁芯参数,软件仍然保留手动输入功能。

选好磁芯后要进行匝数的选择,不同匝数下磁场强度和电流密度的变化趋势图如下

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图14-3-5 磁通密度、电流密度与匝数的关系

如图匝数的选择范围约在26-50匝之间,在此范围内都能满足变压器的设计要求不过要注意开气隙的范围,如果气隙范围超过了0.1-2mm之间则软件会闪烁提醒。

软件版本更新到Rev06发布变压器设计功能。

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图14-4-1 变压器设计功能界面

变压器设计功能的使用方法:

1、 预设磁通密度(默认0.2T)、电流密度(默认400A/mm^2)、窗口系数(默认0.4),半匝使能选项。

2、 结合电路设计功能的参数软件自动计算出变压器所需的最小Ap值,点击磁芯选择按钮从弹出的磁芯数据表中选择符合要求的磁芯或手动输入Aw、Ae、Al这三个参数。

3、 设置初级匝数,一般选取的磁芯都会留余量那么初级匝数就会有多个可选值如下图

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图14-4-2 初级匝数参考曲线

图14-4-2显示不同匝数下磁通密度和电流密度的变化曲线,损耗跟密度成比例关系,最佳匝数值或许要通过损耗分析得到。

软件自动计算出开气隙大小,如果范围超过0.1-2mm则闪烁报警。

4、 选择初次级导线

根据趋肤深度选最小线径,最小线径为两倍趋肤深度=0.518mm查询下图AWG线径查询曲线。

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图14-4-3 AWG线径查询曲线

从曲线中可以查出0.518mm线径对应的线号在24AWG左右为最小线号(参考电流Y轴范围可修改)。从24AWG依此增加线号使导线股数接近整数,结果如下:

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图14-4-4 线径、股数计算结果

如上图初级导线选24AWG1,次级导线选34AWG4。

图14-4-3的曲线是根据下图描述得到的。

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图14-4-5 AWG线规表

软件更新至Rev08版本,增加了变压器绕组设计功能。

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图14-4-5 Rev08版变压器设计界面

双击变压器图形,弹出变压器结构设计窗口如下图

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图14-4-6 变压器绕组设计功能界面

根据所选磁芯选择适合的骨架并输入骨架的高和宽参数,紧密系数跟工艺有关默认为1,辅助绕组的输出电压默认为9,导线绝缘等级默认2UEW。图中的黄色表示绝缘胶带(或其它)总和默认厚度0.5mm,绿色表示初级绕组、蓝色表示次级绕组、红色表示辅助绕组,采用归一化处理既无论采用的是三明治还是多明治绕法初级都统一看待,次级亦然。

这里的开关频率为100KHz所以最小线号只能选26AWG,图14-4-6中初级的股数范围为2.6~3.9选择3股,选择2UEW等级的漆包线计算出次级为3.1608层,这个层数不是很理想所以重新选择线号和股数见下图

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图14-4-7 修正后的线号股数

图14-4-7中初、次级的层数都接近并小于整数,有助于提高变压器的性能。

如果没有找到恰当的线号和股数匹配可以回到变压器设计界面重新设置一个初级匝数Np再进行匹配。

接下来准备对变压器设计功能进行理论验证,首先对比下图在不同资料中关于深度系数的描述。

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图14-4-8 不同波动系数与深度系数K的关系

验证过程是保持功率不变(参数不锁定)修改深度系数k从0到1变化,根据软件计算出的Ap值绘制出下表。

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图14-4-9 Ap值与电流纹波率关系图

上图中是以电流纹波率r作为x轴Ap归一化作为Y轴(*归一化是将各自的值在r=0.4处归一处理),可以看出选择不同的工作模式对变压器的功率要求是不一样的而且是非线性关系的。

图14-4-9的曲线同《精通开关电源设计》(第二版)第49页的图很接近,下面做一对比。

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图14-4-10 精通第二版与软件计算的Ap、r曲线对比

上图可以验证软件中的Ap算法同深度系数k之间的关系基本是正确的,因采用的是归一化处理计算出的Ap值同实际需求的Ap值之间的比例是否为1还需进一步验证。

接下来验证一下磁芯PQ26/25 在100KHz、Bm=0.2T、Jm=400A/cm^2条件下不同深度系数k值所能输出的最大功率如下图。

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图14-4-11 PQ26/25 输出功率与深度系数k的关系

比较意外的是二者之间成线性关系,其实在一些公式中也发现如果用深度系数k替代电流纹波r或电流波动系数krp公式将变的更简洁。

通常的Ap法算不准应当是没有考虑到深度系数k的影响(或者称波形系数)。

列举《精通开关电源设计》(第二版)第88页实例(7)反激设计

一个74W通用输入(90~270VAC)反激变换器,两组输出分别为5V/10A和12V/2A。假设开关频率150KHz,设计一个合适的变压器,用性价比高的额定值为600V的MOSFET。( Bm=0.2T,Jm=500A/cm^2,效率0.7)

在锁定状态下代入书中给定的参数如输入电容330uF、初级电感Lp=636uH、匝比n=22.86等,得出的结果有两处略有争议。

1、深度系数k ,书中设定的电流纹波r=0.5换算成深度系数k=0.6,软件计算出的结果为k=0.675。如果将效率设置为1则计算的深度系数k=0.6,这个问题不知是不是作者忘记考虑效率因素的影响了,有待探讨。

2、占空比,书中设置的占空比为0.559,软件计算的占空比为0.54937。这个问题跟输入电容值有关,书中的电容是按3uF/W取值的并不精准,如果占空比为0.559则所需的电容实为268uF(公式中未考虑ESR的影响)。

进入第二步变压器设计如下图

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图14-4-12 74W反激变压器设计

计算的Ap=0.78966选择EI30 Ap=0.8207,初级匝数范围为45.5-46.8选择46匝。有争议的地方是书中给的线号是27AWG直径要略大于两倍趋肤深度,这里是否选28AWG更合适?

接下来第三步绕组验证如下图

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图14-4-13 74W反激绕组设计

先遵循作者原设计初级采用27AWG3,次级因为书中的是两路输出所以无法做参考,理论上初级和次级的高度是一样的(骨架参数是估算的)。通过这个绕组设计功能可以大概估算出设计的绕组是否合理。

上图14-4-13所采用的绕组参数中趋肤深度和初级电流密度都超过了限定值,如果实物变压器确实如图中所示还有空间的话可以进行绕组优化,见下图。

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图14-4-14 74W反激绕组优化

初级采用28AWG4,初级电流密度小于500A/cm^2,初级层数接近并小于5层。

次级采用28AWG91,次级电流密度小于500A/cm^2,次级层数接近并小于5层。

(空间允许的话次级的股数可以大于91股)

参考《精通开关电源设计》修正了Ap算法后得出的结果对比如下。

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图14-4-15 Ap与电流纹波率r的关系曲线对比

接下来准备探讨这个Ap算法公式,期望能通过公式推导证明这里所采用的波形系数是正确合理的。

Ap算法有两个公式,一个是简化近似版

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图14-4-10 是软件采用这个公式绘制出来的。

较精确版公式如下

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图14-4-15 是软件采用此公式绘制出来的。

公式的推导过程见1楼附件 Ap算法(改进版02),这个Ap算法用多个设计实例验证过,准确度很高。

关于变压器的最低损耗是否发生在铜损=铁损时,用软件模拟几组数据来验证一下。验证过程中假设变压器是可以根据需求定制的,没有饱和的问题。

所使用的损耗公式:Pcore=Ve*k*f^a*(△B/2)^b , Pcu=Irms^2*Np*MlT*31.6Ω/mm*10^-6 。

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图14-5-1 变压器损耗与匝数Np的关系曲线

如图14-5-1逐渐增大初级匝数Np,磁芯损耗减小导线损耗增大,由于磁损是非线性变化的总的损耗最小值并不是发生在Pcore=Pcu时刻。

匝数Np起调节磁损、铜损比例用的,如果选用的变压器曲线同图中相似则设计变压器时可让铜损比例大一些,譬如将电流密度设置为Jm>=500A/Cm^2。

在《精通开关电源设计》中作者多次提到电流纹波率r(本软件中采用的是深度系数k),下面的表格反映的是深度系数k从0~0.8变化对损耗造成的影响。

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图14-5-2 变压器损耗与深度系数k的关系曲线

为方便数据处理假设匝数可以是非整数使Pcore≈Pcu,如图中所示随着电源连续模式的加深变压器的总损耗在降低,当深度系数超过0.6之后降低趋势变缓,再参考图14-4-15当电流纹波率r<0.4之后对变压器的体积要求近似指数增加,根据公式k=(2-r)/(2 r)换算一下,当r=0.4时k=0.6667,所以作者说电流纹波率最好取r=0.4(k=0.667)从这里可以推断出采用r=0.4可以使变压器的效率和体积(成本)达到最佳匹配。

下面的一组数据是模拟输入电压从低压到高压变化时变压器损耗的变化情况(Uin=90V@k=0.6)

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图14-5-3 变压器损耗与输入电压的关系曲线

图14-5-3中匝数为31.5损耗最低点靠近低压区,调整初级匝数使损耗最低点向中压区靠近,见下图。

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图14-5-4 优化后的损耗与输入电压关系曲线

初级线圈调至41匝后低压到高压的损耗都低于2W。

继续增大匝比数至48匝

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图14-5-5 二次优化

如图损耗更低曲线更平坦。

为了更直观分析观察损耗的分布情况将电路中的损耗绘制成饼图如下

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图14-5-6 低压满载时效率及损耗分布

图中左边灰色为输出功率彩色的为损耗功率,下面的按键可以切换为只显示损耗分布如右图。

目前的损耗分析还只包括输出二极管、MOS管、变压器、RCD吸收,效率在0.898左右。

将输入电压切换至高压后的损耗分别如下

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图14-5-7 高压满载是效率及损耗分别

高压输入时效率提升了一点,变压器和MOS管的损耗都有所降低(计算公式还有待验证)。在这其中变压器的效率提升的最多。

下图是低压输入、轻载时的损耗分布

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图14-5-8 低压轻载的效率及损耗分别

轻载的时候效率降到0.82其中MOS的损耗占主要成分。(RCD电路采用的是TVS管计算方式对轻载时效率的影响目前还看不出来)

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