用于單片集成開(kāi)關(guān)IC開(kāi)關(guān)電源的反激式變壓器設計(一)

1〕反激式變壓器設計介紹

反激式電源變換器設計的關(guān)鍵因素之一是變壓器的設計。在此我們所說(shuō)的變壓器不是真正意義上的變壓器，而更多的是一個(gè)能量存儲裝置。在變壓器初級導通期間能量存儲在磁芯的氣隙中，關(guān)斷期間存儲的能量被傳送給輸出。初次級的電流不是同時(shí)流動(dòng)的。因此它更多的被認為是一個(gè)帶有次級繞組的電感。

反激電路的主要優(yōu)勢是成本，簡(jiǎn)單和容易得到多路輸出。反激式拓撲對于100W以?xún)鹊南到y是實(shí)用和廉價(jià)的。大于100W的系統由于著(zhù)重降低裝置的電壓和電流，其它諸如正激變換器方式就變得更有成效。

反激式變壓器設計是一個(gè)反復的過(guò)程，因為與它的變量個(gè)數有關(guān)，但是它不是很困難，稍有經(jīng)驗就可快速和容易的處理。在變壓器設計之前的重點(diǎn)是定義電源參數，諸如輸入電壓，輸出功率，最小工作頻率，最大占空比等。根據這些我們就可以計算出變壓器參數，選擇合適的磁芯。如果計算參數沒(méi)有落在設計范圍內，重復計算是必要的。利用網(wǎng)站上的EXCEL電子表格可以容易的處理這些步驟。

屬于ISMPS IC的IR40xx系列最初設計應用于準諧振方式，這意味變壓器工作于不連續模式(磁場(chǎng)不連續，當變壓器中的能量傳遞到次邊后磁場(chǎng)反回到零)。在PRC模式中的變壓器通常也工作于不連續狀態(tài)，若工作于連續狀態(tài)時(shí)工作頻率設置的很低(約20KHZ時(shí)一般不實(shí)用，因為需要較大尺寸的磁芯)。因此本應用手冊?xún)H包含不連續設計的實(shí)例。

2〕電源設計所需的標準

在開(kāi)始變壓器設計之前，根據電源的規范必須定義一些參數如下：

1〕最小工作頻率-fmin

2〕預計電源效率-η≈0.85~0.9(高壓輸出)，0.75~0.85(低壓輸出)

3〕最小直流總線(xiàn)電壓-Vmin如110V時(shí)最小輸入電壓85Vac，可有10V抖動(dòng))

4〕最大占空比-Dm(建議最大值為0.5)

5)串聯(lián)諧振電容值-Cres〔建議取值范圍為100pf~1.5nf，見(jiàn)圖1〕

3〕變壓器設計步驟

首先計算總輸出功率，它包括所有次級輸出功率，輔助輸出功率和輸出二極管的壓降。通常主要輸出電流若大于1A使用肖特基二極管，小于1A使用快恢復二極管，當小電流輸出時(shí)輔助繞組可用1N4148整流(建議輔助電壓為18V，電流為30mA)

輸出功率(Po)計算的是總的輸出功率。

根據Po變壓器的初級電感可由下式計算出。

圖1 IR40xx系列反激電路典型應用

下一步是計算初級，次級和輔助繞組的變比。下式給出初級(Np)和次級(Ns)變比的計算公式：

此處Vo是次級輸出電壓，VD是次級輸出整流管的正向壓降。一個(gè)好的方法是先計算次級每

伏的匝數，依此可計算出初級的匝數。輔助繞組的匝數NB可依下式算出。

對于多路輸出電源需要反復計算找出最佳變比，需要對輸出電壓采取一些折中以確保匝數為整數，沒(méi)有半匝。

現在就可計算出帶氣隙磁芯的有效電感。這需要從磁芯生產(chǎn)商處獲得所需有氣隙磁芯的Alg值

或者使用標準磁芯通過(guò)研磨中間段得到所需的Alg值它也可以用下式由初級電感Lp(μH)和初級匝數Np計算出。

初級平均電流Iav可由假定效率η，所需總輸出功率Po及最小直流總線(xiàn)電壓Vmin算出。

所需初級峰值電流Ip可由下式算出

圖2給出不連續模式初級電流波形?？梢钥闯鲈趖1導通期間有一斜坡電流，其上升斜率受直流總線(xiàn)電壓和初級電感Lp控制，最終達到剛才所計算的峰值電流值Ip。在t2關(guān)斷期間初級無(wú)電流流過(guò)。在I=Ip處出現峰值磁通。由于IR40xx是自準諧振電路，t1與t2的轉換依賴(lài)于輸出負載和輸入電壓。計算時(shí)我們可采用變壓器最壞情況下的最低頻率，最低直流總線(xiàn)電壓和最大負載。

圖2不連續反激電路初級電流波形

根據初級RMS電流I rms能夠算出所需導線(xiàn)線(xiàn)徑，見(jiàn)下式:

下一步是計算所需磁芯尺寸和氣隙。首先選擇磁芯尺寸，可以應用第五部分給出的磁芯類(lèi)型和尺寸選擇適當的功率等級。根據下式由有效截面積Ae(cm2)計算出最大磁通密度Bm，作為磁芯選擇依據(Bm應在2000~3000高斯之間，低于2000磁芯未被充分利用，高于3000依據所用鐵氧體材料可能發(fā)生飽和)。

一個(gè)可選方法是由Bm(如2500)計算所需磁芯的最小Ae.見(jiàn)下式

通過(guò)改變次級匝數(Ns)可使Bm在所需范圍內，也可直接改變初級匝數(Np)。對于專(zhuān)門(mén)磁芯增加次級匝數將降低Bm，反過(guò)來(lái)減少次級匝數將增大Bm。

交流磁密BAC的應用可依據廠(chǎng)商提供的磁芯損耗曲線(xiàn)。它給出磁通的交流成分而不是峰峰值。這對不連續變壓器設計可很方便由下式算出

下一步是計算所需氣隙。這意味著(zhù)先要計算無(wú)隙磁芯的相對導磁率μr，它可由磁芯參數Ae(有效截面積cm2)，Le(有效磁路長(cháng)度cm2)，AL(電感系數nH/匝2)計算出