如何為隔離降壓轉換器選擇變壓器

本文闡述隔離式降壓轉換器的工作原理，以及應如何選擇變壓器，這是設計隔離式降壓轉換器的關(guān)鍵。本文探討在選擇變壓器時(shí)應考慮哪些參數、應采用哪些數學(xué)公式進(jìn)行運算，以及這些參數會(huì )如何影響整個(gè)電路。

隔離式降壓轉換器的工作原理

隔離式降壓拓撲與通用降壓轉換器拓撲相似，如圖1所示。使用變壓器替換降壓電路中的電感器，就可以得到隔離式降壓轉換器。變壓器的副邊可以獨立接地。

圖1. 隔離式降壓拓撲。

在導通期間，高側開(kāi)關(guān)管(QHS)接通，低側開(kāi)關(guān)管(QLS)斷開(kāi)。變壓器的磁化電感(L_PRI)此時(shí)被充電。電流方向如圖2中的箭頭所示。原邊電流隨時(shí)間線(xiàn)性增加。電流的斜率取決于(V_IN – V_PRI)和 L_PRI。在此時(shí)段內，副邊二極管D1反向偏置，電流從輸出電容 (C_OUT)傳輸至負載。

圖2. 導通時(shí)段等效電路。

在關(guān)斷期間，QHS斷開(kāi)，QLS接通。原邊電感放電。原邊電流從 QLS流向地，D1正向偏置，副邊電流從副邊線(xiàn)圈流向C_OUT和負載。在此時(shí)段，輸出電容（C_OUT）被充電。（斷開(kāi)QHS和接通QLS不會(huì )改變電流方向；只會(huì )改變電流坡度。在正電流降至0 A之后，反向電流開(kāi)始增大。）

圖3. 關(guān)斷時(shí)段等效電路。

哪些規格參數將影響變壓器選擇？

在設計轉換器時(shí)，應明確指定一些規格參數。它們將決定電路選用哪些器件尤其是選用那個(gè)變壓器。

◇ 輸入電壓范圍

◇ 輸出電壓

◇ 最大占空比

◇ 開(kāi)關(guān)頻率

◇ 輸出電壓紋波

◇ 輸出電流

◇ 輸出功率

最大占空比(D)通常介于0.4至0.6之間。最小輸入電壓(V_{IN_MIN})和最大占空比將決定原邊輸出電壓(V_PRI)。原邊輸出電壓(V_PRI)和副邊輸出電壓(V_OUT)將決定變壓器的匝數比。

輸出電流(I_OUT)和輸出功率(P_OUT)是影響變壓器選擇的重要參數。輸出電流決定銅線(xiàn)的粗細，輸出功率決定應使用哪個(gè)變壓器線(xiàn)軸。線(xiàn)軸的磁導率決定它能存儲多少電能，能輸出多少功率。一般來(lái)說(shuō)，DC輸出電流乘以一個(gè)系數，就能得出電感（變壓器）的紋波電流。占空比和開(kāi)關(guān)頻率可以用來(lái)計算T_ON時(shí)間，V_IN、V_PRI和紋波電流可以確定原邊電感。分配的系數不能太大或太小，較大的系數會(huì )導致高紋波電流。高紋波電流可能達到半H橋限流值的，這會(huì )損壞MOSFET。由于存在ESR和ESL，輸出電容將會(huì )承受大紋波電壓。與之相反，當需要極小的紋波電流時(shí)，應使用電感值很高的電感器（變壓器）。如果線(xiàn)圈匝數很多，則需要使用笨重的線(xiàn)軸。大電感會(huì )限制環(huán)路帶寬，降低動(dòng)態(tài)響應系數。

選擇變壓器

電能僅在T_OFF時(shí)間內傳輸至副邊線(xiàn)圈。匝數比可以通過(guò)公式1計算：

其中，V_D表示副邊二極管正向偏置電壓。V_PRI的最大占空比一般介于0.4至0.6之間。V_PRI可以采用公式2計算：

其中，D為最大占空比，V_{IN_MIN}為最小輸入電壓。使用公式2可計算出匝數比。在非隔離降壓轉換器中，電感兩側的紋波電流相同。利用公式3可輕松計算出所需的電感。

其中f為開(kāi)關(guān)頻率，ΔI為紋波電流。如前所述，我們設定紋波電流= DC輸出電流 x 系數。

其中K為系數。但是，隔離式降壓轉換器拓撲中只有變壓器，沒(méi)有電感。如果其中的組件是變壓器而非電感時(shí)，該怎么辦？我們知道，電流比等于匝數比的倒數：

IPRI_TOFF是關(guān)斷期間副邊電流，它在關(guān)斷期間會(huì )激勵原邊產(chǎn)生電流。應添加變壓器雙線(xiàn)圈電流，將其作為等效電感電流。

其中，ILeq表示等效電感電流。如果變壓器還有三個(gè)繞組，那么

是這樣嗎？我們來(lái)看看基于MAX17682得出的仿真結果。圖4顯示 MAX17682電路，采用EE-Sim^? OASIS繪制，由SIMetrix/SIMPLIS提供。變壓器兩側裝有電流檢測探頭，分別為I_PRI和I_SEC1。

圖4. MAX17682典型電路，采用EE-Sim OASIS繪制，由SIMetrix/SIMPLIS供電。

圖5. MAX17682典型電路的仿真電流波形。

圖5顯示兩個(gè)探頭的瞬態(tài)仿真結果。這兩個(gè)電流波形是根據公式6得出并添加的。

添加的電流結果（紅色）為三角波，其表現就像是非隔離降壓轉換器中的電感。因此，可以使用以下公式輕松計算出變壓器的原邊ΔI：

通常，采用0.2倍DC輸出電流作為負載紋波電流。所以，K等于0.2 乘N_SEC/N_PRI。同時(shí)，原邊峰值電流應低于開(kāi)關(guān)限流值，其中I_PK的計算公式如下：

變壓器的原邊電感可以使用以下公式計算得出：

根據匝數比、原邊電感、輸出功率、輸出電流和隔離電壓，可以決定應使用哪個(gè)電感。

為何簡(jiǎn)化公式是有效的

下面介紹如何更好地理解和使用MAX17682數據手冊中所示的公式（參見(jiàn)圖6）。

圖6. MAX17682數據手冊的屏幕截圖。

如前所述，可以將公式10改寫(xiě)為公式11，以得出關(guān)斷期間的等效公式。

假設D為0.6，只有當ΔI為0.4 A，多項式(1 – D)和ΔI才會(huì )抵消。公式 11和圖6所示的公式相同。數據手冊中的公式已選擇原邊紋波電流。如果指定D為0.6，那么原邊紋波電流為0.4 A。在數量上，T_OFF占空比等于原邊紋波電流。

結論

根據圖6所示的簡(jiǎn)化公式，指定原邊紋波電流等于T_OFF占空比時(shí)，可以更快完成設計。如果想更改原邊紋波電流或使用其他參數，可以按照本教程說(shuō)明進(jìn)行操作。