直流穩壓電源輸入整流橋和濾波電容的計算與選取
2017-7-5 10:03:54??????點擊：
1 輸入直流穩壓電源整流橋的選擇
1)直流穩壓電源整流橋的導通時間與選通特性
50Hz交流直流穩壓電源電壓經過全波直流穩壓電源整流后變成脈動直流直流穩壓電源電壓u1，再通過輸入濾波電容得到直流高壓U1。在理想情況下，直流穩壓電源整流橋的導通角本應為180°(導通范圍是從0°～180°)，但由于濾波電容器C的作用，僅在接近交流峰值直流穩壓電源電壓處的很短時間內，才有輸入直流穩壓電源電流流經過直流穩壓電源整流橋對C充電。50Hz交流電的半周期為10ms，直流穩壓電源整流橋的導通時間tC≈3ms，其導通角僅為54°(導通范圍是36°～90°)。因此，直流穩壓電源整流橋實際通過的是窄脈沖直流穩壓電源電流。橋式直流穩壓電源整流濾波直流穩壓電源電路的原理如圖1(a)所示，直流穩壓電源整流濾波直流穩壓電源電壓及直流穩壓電源整流直流穩壓電源電流的波形分別如圖l(b)和(c)所示。
總結幾點：
(1)直流穩壓電源整流橋的上述特性可等效成對應于輸入直流穩壓電源電壓頻率的占空比大約為30％。
(2)直流穩壓電源整流二極管的一次導通過程，可視為一個“選通脈沖”，其脈沖重復頻率就等于交流電網的頻率(50Hz)。
(3)為降低開關電源中500kHz以下的傳導噪聲，有時用兩只普通硅直流穩壓電源整流管(例如1N4007)與兩只快恢復二極管(如FR106)組成直流穩壓電源整流橋，FRl06的反向恢復時間trr≈250ns。
2)直流穩壓電源整流橋的參數選擇
隔離式開關電源一般采用由直流穩壓電源整流管構成的直流穩壓電源整流橋，亦可直接選用成品直流穩壓電源整流橋，完成橋式直流穩壓電源整流。全波橋式直流穩壓電源整流器簡稱硅直流穩壓電源整流橋，它是將四只硅直流穩壓電源整流管接成橋路形式，再用塑料封裝而成的半導體器件。它具有體積小、使用方便、各直流穩壓電源整流管的參數一致性好等優點，可廣泛用于開關電源的直流穩壓電源整流直流穩壓電源電路。硅直流穩壓電源整流橋有4個引出端，其中交流輸入端、直流輸出端各兩個。
硅直流穩壓電源整流橋的最大直流穩壓電源整流直流穩壓電源電流平均值分0．5～40A等多種規格，最高反向工作直流穩壓電源電壓有50～1000V等多種規格。小功率硅直流穩壓電源整流橋可直接焊在印刷板上，大、中功率硅直流穩壓電源整流橋則要用螺釘固定，并且需安裝合適的散熱器。
直流穩壓電源整流橋的主要參數有反向峰值直流穩壓電源電壓URM(V)，正向壓降UF(V)，平均直流穩壓電源整流直流穩壓電源電流Id(A)，正向峰值浪涌直流穩壓電源電流IFSM(A)，最大反向漏直流穩壓電源電流IR(μA)。直流穩壓電源整流橋的反向擊穿直流穩壓電源電壓URR應滿足下式要求：
舉例說明，當交流輸入直流穩壓電源電壓范圍是85～132V時，umax=132V，由式(1)計算出UBR=233．3V，可選耐壓400V的成品直流穩壓電源整流橋。對于寬范圍輸入交流直流穩壓電源電壓，umax=265V，同理求得UBR=468．4V，應選耐壓600V的成品直流穩壓電源整流橋。需要指出，假如用4只硅直流穩壓電源整流管來構成直流穩壓電源整流橋，直流穩壓電源整流管的耐壓值還應進一步提高。辟如可選1N4007(1A／1000V)、1N5408(3A／1000V)型塑封直流穩壓電源整流管。這是因為此類管子的價格低廉，且按照耐壓值“寧高勿低”的原則，能提高直流穩壓電源整流橋的安全性與可靠性。
設輸入有效值直流穩壓電源電流為IRMS，直流穩壓電源整流橋額定的有效值直流穩壓電源電流為IBR，應當使IBR≥2IRMS。計算IRMS的公式如下：
式中，PO為開關電源的輸出功率，η為電源效率，umin為交流輸入直流穩壓電源電壓的最小值，cosφ為開關電源的功率因數，允許cosφ=0．5～0．7。由于直流穩壓電源整流橋實際通過的不是正弦波直流穩壓電源電流，而是窄脈沖直流穩壓電源電流(參見圖1)，因此直流穩壓電源整流橋的平均直流穩壓電源整流直流穩壓電源電流Id
例如，設計一個7．5V／2A(15W)開關電源，交流輸入直流穩壓電源電壓范圍是85～265V，要求η=80％。將Po=15W、η=80％、umin=85V、cosψ=0．7一并代入(2)式得到，IRMS=0．32A，進而求出Id=0．65×IRMS=0．21A。實際選用1A／600V的直流穩壓電源整流橋，以留出一定余量。
2 輸入濾波電容器的選擇
1)輸入濾波電容器容量的選擇
為降低直流穩壓電源整流濾波器的輸出紋波，輸入濾波電容器的容量CI必須選的合適。令每單位輸出功率(W)所需輸入濾波電容器容量(μF)的比例系數為k，當交流直流穩壓電源電壓u=85～265V時，應取k=(2～3)μF／W；當交流直流穩壓電源電壓u=230V(1±15％)時，應取k=1μF／W。輸入濾波電容器容量的選擇方法詳見附表1，Po為開關電源的輸出功率。
表1輸入濾波電容器容置的選擇方法
|
u/V |
UV |
P〇/W |
峰 F/W) |
C./HF |
|
110(1 ±15%) |
>90 |
2?3 |
(2 ?3> |
>(2?3爐〇值 |
|
85-265 |
>90 |
2-3 |
(2-3) |
>(2~3)P。值 |
|
230(1 ±15%) |
>240 |
1 |
1 |
>pOm |
2)準確計算輸入濾波電容器容量的方法輸入濾波電容的容量是開關電源的一個重要參數。CI值選得過低，會使UImin值大大降低，而輸入脈動直流穩壓電源電壓UR卻升高。但CI值取得過高，會增加電容器成本，而且對于提高UImin值和降低脈動直流穩壓電源電壓的效果并不明顯。下面介紹計算CI準確值的方法。
設交流直流穩壓電源電壓u的最小值為umin。u經過橋式直流穩壓電源整流和CI濾波，在u=umin情況下的輸入直流穩壓電源電壓波形如圖2所示。該圖是在Po=POM，f=50Hz、直流穩壓電源整流橋的導通時間tC=3ms、η=80％的情況下繪出的。由圖可見，在直流高壓的最小值UImin上還疊加一個幅度為UR的一次側脈動直流穩壓電源電壓，這是CI在充放電過程中形成的。欲獲得CI的準確值，可按下式進行計算：
舉例說明，在寬范圍直流穩壓電源電壓輸入時，umin=85V。取UImin=90V，f=50Hz，tC=3ms，假定Po=30W，η=80％，一并帶入(3)式中求出CI=84．2μF，比例系數CI／PO=84．2μF／30W=2．8μF／W，這恰好在(2～3)μF／W允許的范圍之內。
開關電源決定一次側濾波電容，主要影響電源的性能參數為輸出低頻交流紋波與保持時間. 濾波電容越大，電容器上的Vin(min)越高，可以輸出較大功率的電源，但相對價格也提高了。
輸入電解電容計算方法(舉例說明)：
1.因輸出直流穩壓電源電壓12V 輸出直流穩壓電源電流2A, 故輸出功率：Pout=Vo*Io=12.0V*2A=24W。
2.設定變壓器的轉換效率約為80%，則輸出功率為24W的電源其輸入功率：Pin=Pout/效率= 24W/80%=30W.
3.因輸入最小交流直流穩壓電源電壓為90VAC，則其直流輸出直流穩壓電源電壓為： Vin=90* √2=127Vdc
故負載直流直流穩壓電源電流為：I=Pin/Vin=30W/127VDC=0.236A
(若電源的等級要求較高時, 可考慮如下參數進行推算; 因輸入最小交流直流穩壓電源電壓為90VAC，則其最低輸出直流直流穩壓電源電壓為： Vin(min)=90*√2 -30(直流紋波直流穩壓電源電壓)=97Vdc，故最大負載直流直流穩壓電源電流為：
IMAX=Pin/Vin（min）=30W/97VAC=0.309A
4.設計允許30VPP的直流紋波直流穩壓電源電壓 ，并且電容要維持直流穩壓電源電壓的時間為半周期t（即半周期的工頻率交流直流穩壓電源電壓在約是8ms，T=1/f=1/60=0.0167S=16.7 ms）則：
C=I*t/V=(0.236*8*10^3)/30≈62uF.
62uF在常用電容47-82uF之間，因考慮成本問題。
故實際選擇電容量47uF.
5.因最大輸入交流直流穩壓電源電壓為264Vac，則最高直流直流穩壓電源電壓為:V=264*√2=373VDC.
實際選用通用型耐壓400Vdc的電解電容,此直流穩壓電源電壓等級,電容有95%的裕度.
6.電容器的承受的紋波直流穩壓電源電流值決定電容器的溫升,進而決定電容器的壽命.(電容器的最大紋波直流穩壓電源電流值與其體積,材質有關.體積越大散熱越好耐受紋波直流穩壓電源電流值越高)故在選用電容器要考慮實際紋波直流穩壓電源電流值＜電容器的最大紋波直流穩壓電源電流值.
7.開關源元器件溫升一般較高,通常選用105℃電容器,在特殊情況無法克服溫升時可選用125℃電容器.
故選用47uF,400v, 105℃電解電容器可以滿足要求(在實際使用時還考慮安裝機構尺寸,體種大小,散熱環境好壞等)
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