整流滤波回路的设计策略

开关电源一般采用电容输入型整流滤波回路。整流方式一般采用全波桥式整流。这里将介绍电容输入型整流滤波回路的设计方法。

输入电容C₁的容量是由输出保持时间以及直流输入电压要求的纹波大小决定的，而且流经电容的纹波电流在电容允许值范围内。这是因为C₁的纹波电流对电容寿命有很大影响，我们应特别注意。滤波电容大多采用电解铝作为电解质。

例题：有一开关电源的输入电压为85（V_min）～265V（V_max），输出功率（P_o）为60W。（1）求输入电容的纹波电压（V_cr）和电容的使用寿命的推算。（2）如何选用整流二极管。

设开关电源工作频率为200kHz，效率为85%。

（1）计算直流输入回路的各个参数：

输入最低直流电压V₁（min）=85V×=120.2V

输入最高直流电压V₁（max）=265V×=374.71V

电路输入功率P_i=P_o/μ=60W/0.85=70.6W

输入有效电流I_ds=P_i/V₁（min）=70.6/120.2A=0.59A

输入平均电流I_dc=I_ds·D_ave

式中，D_ave为转换电能平均占空比，它是最高与最低占空比的平均值。

D_max=V_OR/（V_imin+V_OR-V_DS（on））

式中，V_imin、VOR分别是输入直流电压在变压器一次绕组的最低和最高感应电压；V_DS（on）是开关管的导通开关电压；分别取90V、135V和10V代入上式：

D_max=135/（90+135-10）=0.628

D_min=90/（90+135-10）=0.419

D_ave=（D_max^+Dmin）÷²=（0.628+0.419）÷2=0.524

I_dc=0.59A×0.524=0.31A

（2）计算整流滤波电容容量C

式中，f为输入交流电压频率50Hz；-t_c为滤波电容半周期放电时间7ms；t_c为滤波电容半周期的充电时间3ms。

，取68μF

（3）计算电容负载电阻R_LC

R_LC=V₁（min）/Idc=120.2/0.31Ω=387.7Ω

设输入低通滤波阻抗R_S为10Ω，则滤波器的阻抗与电容负载的阻抗比值为

R_S/R_LC=10/387.7=0.0258≈0.026

（4）计算电容滤波的纹波电压V_cr

V_cr=4I_ds·t_c×10^-3/（2πC×10^-6）=4×0.59×3×10^-3/（2×3.14×68×10^-6）V

=7.08×10^-3/（427.04×10^-6）V=16.6V

（5）计算充电电流I_aca(www.xing528.com)

整流电路每半周3ms时间对滤波电容充电，其充电电流I_aca=t_on·I_acp/T。根据阻抗比值0.026，由图2-5查到I_ac/I_dc=1.2，则I_ac=1.2I_dc=1.2×0.31A=0.37A。又由图2-6查出I_acp/I_ac=3.6，则低通交流输入的峰值电流I_acp=3.6×0.31A=1.12A。所以充电电流I_aca=3×10^-3×1.12A/（20×10^-3）=0.168A。

（6）计算滤波电路的负载电流I_rL

由输入有效电流I_ac除去交流输入电流的平均值I_aca的矢量差为滤波电路的负载电流I_rL

图2-5 交流输入电流有效值与输出平均电流之间的关系

图2-6 交流输入电流峰值与输出平均电流之间的关系

（7）计算电容寿命

若变换器确定的最高温度为60℃，机内温升为15℃，电容器工作环境温度为75℃。环境温度为75℃时，补偿系数K为1.32，50℃时允许纹波电流为0.33A，则

I_r75=1.32I_r50=1.32×0.33A=0.436A

当环境温度为50℃时，内部温升为

ΔT₆₅=ΔT₇₅K²=4.25×1.32²℃≈7.4℃

当环境温度为75℃时，电流为0.26A，内部温升为

电容器的寿命L_V为

L_V=L₀×2（75^-65）/10×4（5^-4.6）/10=2500×21×4^0.04H≈5285H

式中，L₀为电容的保证寿命，可由生产商的产品目录查得。电容所承受的电压是最大输入电压的2倍，实例中为265×≈375V。所以电容C₁选用容量为68μF、耐压为400V、温度为105℃的电解电容，在环境温度为75℃时，承受最高电流为1.12A。

（8）整流二极管及开关管的计算选用

开关电源的整流桥由四只二极管组成，每两只二极管串联起来完成交流电压半周期的整流任务。因此，每只二极管流过的电流只有每个周期平均电流的一半；每个二极管所承受的峰值电压的一半。

（9）计算峰值电流I_PP

I_PP=I_ds/D_min=0.59A/0.419=1.41A

（10）计算峰值电压V_dsp

设变压器一次电感量L_P=0.85mH

通过计算，每只整流二极管所承受的电流为最大电流一半的三倍，所承受的电压为峰值电压一半的两倍，即，495.74V。根据计算选用二极管1N5407，它的最高反向工作电压V_RM为800V，额定整流电流I_D为3A，完全满足上例整流电路的要求。又根据所计算出的峰值电压和峰值电流选用IRF820，它的漏源反向击穿电压V（BR）DS和最大漏极电流I_Dmax也符合上面所计算出的参量要求。