开关电源设计之输入整流滤波器及钳位保护电路

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1、输入整流桥的选择1)整流桥的导通时间与选通特性50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u1，再通过输入滤波电容得到直流高压U1。在理想情况下，整流桥的导通角本应为180°(导通范围是从0°～180°)，但由于滤波电容器C的作用，仅在接近交流峰值电压处的很短时间内，才有输入电流流经过整流桥对C充电。50Hz交流电的半周期为10ms，整流桥的导通时间tC≈3ms，其导通角仅为54°(导通范围是36°～90°)。因此，整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整流滤波电路的原理如图1(a)所示，整流滤波电压及整流电流的波形分别如图l(

2、b)和(c)所示。最后总结几点：(1)整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大约为30%。(2)整流二极管的一次导通过程，可视为一个“选通脉冲”，其脉冲重复频率就等于交流电网的频率(50Hz)。(3)为降低开关电源中500kHz以下的传导噪声，有时用两只普通硅整流管(例如1N4007)与两只快恢复二极管(如FR106)组成整流桥，FRl06的反向恢复时间trr≈250ns。2)整流桥的参数选择隔离式开关电源一般采用由整流管构成的整流桥，亦可直接选用成品整流桥，完成桥式整流。全波桥式整流器简称硅整流桥，它是将四只硅整

3、流管接成桥路形式，再用塑料封装而成的半导体器件。它具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等优点，可广泛用于开关电源的整流电路。硅整流桥有4个引出端，其中交流输入端、直流输出端各两个。硅整流桥的最大整流电流平均值分0.5～40A等多种规格，最高反向工作电压有50～1000V等多种规格。小功率硅整流桥可直接焊在印刷板上，大、中功率硅整流桥则要用螺钉固定，并且需安装合适的散热器。整流桥的主要参数有反向峰值电压URM(V)，正向压降UF(V)，平均整流电流Id(A)，正向峰值浪涌电流IFSM(A)，最大反向漏电流IR(μA)。整

4、流桥的反向击穿电压URR应满足下式要求：举例说明，当交流输入电压范围是85～132V时，umax=132V，由式(1)计算出UBR=233.3V，可选耐压400V的成品整流桥。对于宽范围输入交流电压，umax=265V，同理求得UBR=468.4V，应选耐压600V的成品整流桥。需要指出，假如用4只硅整流管来构成整流桥，整流管的耐压值还应进一步提高。辟如可选1N4007(1A/1000V)、1N5408(3A/1000V)型塑封整流管。这是因为此类管子的价格低廉，且按照耐压值“宁高勿低”的原则，能提高整流桥的安全性与可靠性。设

5、输入有效值电流为IRMS，整流桥额定的有效值电流为IBR，应当使IBR≥2IRMS。计算IRMS的公式如下：式中，PO为开关电源的输出功率，η为电源效率，umin为交流输入电压的最小值，cosφ为开关电源的功率因数，允许cosφ=0.5～0.7。由于整流桥实际通过的不是正弦波电流，而是窄脉冲电流(参见图1)，因此整流桥的平均整流电流Id例如，设计一个7.5V/2A(15W)开关电源，交流输入电压范围是85～265V，要求η=80%。将Po=15W、η=80%、umin=85V、cosψ=0.7一并代入(2)式得到，IRMS=0

6、.32A，进而求出Id=0.65×IRMS=0.21A。实际选用lA/600V的整流桥，以留出一定余量。输入滤波电容器的选择1)输入滤波电容器容量的选择为降低整流滤波器的输出纹波，输入滤波电容器的容量CI必须选的合适。令每单位输出功率(W)所需输入滤波电容器容量(μF)的比例系数为k，当交流电压u=85～265V时，应取k=(2～3)μF/W;当交流电压u=230V(1±15%)时，应取k=1μF/W。输入滤波电容器容量的选择方法详见附表l，Po为开关电源的输出功率。2)准确计算输入滤波电容器容量的方法输入滤波电容的容量是开关

7、电源的一个重要参数。CI值选得过低，会使UImin值大大降低，而输入脉动电压UR却升高。但CI值取得过高，会增加电容器成本，而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CI准确值的方法。设交流电压u的最小值为umin。u经过桥式整流和CI滤波，在u=umin情况下的输入电压波形如图2所示。该图是在Po=POM，f=50Hz、整流桥的导通时间tC=3ms、η=80%的情况下绘出的。由图可见，在直流高压的最小值UImin上还叠加一个幅度为UR的一次侧脉动电压，这是CI在充放电过程中形成的。欲获得CI的准确值，

8、可按下式进行计算：举例说明，在宽范围电压输入时，umin=85V。取UImin=90V，f=50Hz，tC=3ms，假定Po=30W，η=80%，一并带入(3)式中求出CI=84.2μF，比例系数CI/PO=84.2μF/30W=2.8μF/W，这恰好在(2～3)μF/W允许