一款I(lǐng)C開(kāi)關(guān)電源的反激式變壓器設計方案(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

　　現在可以計算氣隙的厚度了。氣隙僅在磁芯的中間部分研磨，這樣有助于防止磁芯邊沿磁通泄漏對周?chē)a(chǎn)生EMI噪聲（然而對于發(fā)展中或小的產(chǎn)品用絕緣材料墊在磁芯外部獲得所需氣隙是可以接收的。但必須切記外部氣隙是計算值的一半）。Ig最小是0.051mm,這是Alg的約束和研磨容許誤差。Ig計算公式如下：

　　隨著(zhù)參數的計算和確定我們現在需要計算合適的導線(xiàn)規格。首先需要根據實(shí)際骨架寬度（BW）計算可用骨架寬度（BWA），初級繞組（L）層數，余留寬度（M）。初級可繞1,2層或3層但要盡量減少層數以降低初級繞組電容（也可用膠帶絕緣初級能有效的降低繞組電容）和漏電感。余留尺寸取決于由系統輸入電壓和安全處理決定的所需絕緣程度（詳見(jiàn)第4部分變壓器結構）。另一可行辦法是次級

　　繞組絕緣增大3倍就無(wú)需余留空間，這一方法通常應用于主要考慮變壓器尺寸的場(chǎng)所，此發(fā)能減小變壓器尺寸，但通常引起成本增加

　　現在根據可利用的繞組寬度計算出初級導線(xiàn)規格，由初級匝數計算出包括絕緣層在內的導線(xiàn)外（OD,mm）。計算的目的是為了讓初級繞組覆蓋整個(gè)骨架寬度以產(chǎn)生最強的耦合

　　現在由第5部分的導線(xiàn)規格表（它是個(gè)好的開(kāi)始）或者廠(chǎng)商提供的合適的導線(xiàn)規格表可以選擇與所計算OD值相匹配的導線(xiàn)規格。依此能得到導線(xiàn)的圓密爾值（CM），進(jìn)一步可以計算初級繞組電流容量（它是反推電流密度的基礎）它被定義為“圓密爾每安培”或CMA

　　計算的CMAp值應在200~500之間，低于200的電流密度太高，它會(huì )導致發(fā)熱和功率損耗，高于500導線(xiàn)未被利用到額定電流容量值。如果計算的CMAp低于200需重復計算，可以增加繞組層數或選擇大一規格的磁芯。

　　如果CMAp高于500就減少繞組層數或小一規格的磁芯進(jìn)行重復計算。作為一個(gè)規范初級導線(xiàn)規格應在26AWG之內。這是因為在高頻時(shí)電流只在導線(xiàn)表面流動(dòng)，大規格導線(xiàn)的中心沒(méi)有被利用，電流集中在導線(xiàn)表面，這樣就減小了導線(xiàn)有效栽流截面?？梢杂枚喙蓪Ь€(xiàn)克服這以問(wèn)題，例如多股標準26AWG導線(xiàn)可給出相同的有效CMA.

　　現在我們需要計算輔助繞組導線(xiàn)規格和次級繞組導線(xiàn)規格（或多路輸出電源的繞組）。利用下式能夠計算出適當繞組的次級峰值電流

　　此處Pox是所計算的次級繞組的輸出功率，Po是先前計算的總輸出功率。這確保所計算的次級峰值電流和特定輸出功率相匹配，這一點(diǎn)對多路輸出電源很重要，能保證次級導線(xiàn)規格不超標，這假定次級是單獨繞組。一個(gè)可選的辦法是疊加

　　次級繞組，通過(guò)合并輸出返回連接端能夠減少骨架所需引腳數。這兩種次級繞組安排見(jiàn)下圖3.

　 　圖3 次級繞組的兩種不同安排

　　在圖3所示例子中次級S1傳導S1,S2,S3的和電流，次級S2傳導S2,S3的和電流，因此導線(xiàn)的規格必須于之相適應。Ispx計算公式變?yōu)橄率剑?/font>

　　此處ΣPox是各繞組功率之和，例如在圖3 b）中S1+S2+S3為S3繞組，S1+S2為S2繞組。S3仍舊傳導它自己的電流，計算是簡(jiǎn)單的?，F在次級RMS電流（Isrms）可以下式計算：

　　圖4給出IR40xx漏極電壓，初級電流，變壓器次級電壓和次級電流。據此可以看出初、次級之間的關(guān)系，初、次級電流是如何不在同一時(shí)間流動(dòng)的。

　　現在根據所計算的次級RMS電流（Isxrms）得出所需次級導線(xiàn)的規格。公式如下：

　　注意此處計算的初級所用CMA（電流容量）要確保與初級和次級的電流容量相匹配。由所計算的CM值從導線(xiàn)規格表中選擇合適的導線(xiàn)。

　　若可能的話(huà)總是在相鄰低點(diǎn)的AWG號（它是相鄰較大導線(xiàn)規格）附近取值。次級導線(xiàn)規格大于26AWG時(shí)建議不使用單根導線(xiàn)，其原因在前面關(guān)于初級導線(xiàn)規格時(shí)已提及到，所以繞組就需要用小規格的導線(xiàn)或者絞合線(xiàn)（它通常是多股導線(xiàn)編織而成這種導線(xiàn)一般是定做，價(jià)格昂貴，但它使用效果好）并聯(lián)使用。