反激式變壓器設(shè)計方法講解

 反激電源由于體積小、成本低、電路簡單的特點，受到設(shè)計者的追捧。很多初學(xué)者也選擇了反激變壓器進(jìn)行設(shè)計方面的學(xué)習(xí)起點和研究對象，但是網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于反激變壓器的學(xué)習(xí)資料五花八門且比較零散，本文就將對反激變壓器的設(shè)計進(jìn)行從頭到尾的梳理，將零散的知識進(jìn)行整合，并配上相應(yīng)的分析，幫助大家盡快掌握。

設(shè)計流程

確認(rèn)基本技術(shù)參數(shù)

溫馨提示：應(yīng)該養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣，不管產(chǎn)品的功率有多么小，技術(shù)多么簡單，堅持為每一個產(chǎn)品制作出一份詳細(xì)的技術(shù)規(guī)格書。首先要弄清楚自己是要做一個什么樣子的產(chǎn)品，這會讓設(shè)計思路更加明確，以及如何展開下一步的工作。

技術(shù)參數(shù)分兩種：基本的與詳細(xì)的。

基本技術(shù)參數(shù)一般需要列舉的如下(以60W產(chǎn)品為例)：

最小輸入電壓：85VAC;

最大輸入電壓：265VAC;

輸出電壓電流：12V5A(精度1%);

最低效率：85%;

工作溫度：-25～+60℃;

詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)比較麻煩，根據(jù)不同的情況不同，需要列舉的參數(shù)有多又少。一般包括：輸入輸出特性、保護(hù)特性、安規(guī)、EMC、可靠性、應(yīng)用環(huán)境、產(chǎn)品尺寸、輸入輸出端口定義、產(chǎn)品標(biāo)簽、外殼標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝等等。

輸入輸出特性

輸入電壓范圍、輸入頻率、功率因素、最大輸入電流、沖擊電流、輸出電壓范圍、輸出電流范圍、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、穩(wěn)壓精度、紋波峰峰值、整機(jī)效率、待機(jī)功耗、開機(jī)延遲時間、輸出電壓上升時間、容性負(fù)載、開關(guān)機(jī)過沖幅度、動態(tài)響應(yīng)時間、動態(tài)響應(yīng)幅度、以及最小啟動電壓。

保護(hù)特性

輸入欠壓保護(hù)點、輸入欠壓恢復(fù)點、輸入過壓保護(hù)點、輸入過壓恢復(fù)點、輸出過壓保護(hù)點、輸出短路保護(hù)方式、過溫保護(hù)點、過溫恢復(fù)點。

溫馨提示：對于一些非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如果不清楚該列舉那些參數(shù)，建議參考競爭對手的產(chǎn)品資料或者行業(yè)內(nèi)最有影響力的供應(yīng)商。如果這些資料都沒有，就盡量向標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)靠近。

設(shè)計思路(制定設(shè)計方案與參考計算)

根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格找出設(shè)計難點及解決措施

溫馨提示：如果你想最大程度的避免失敗。設(shè)計方案應(yīng)該在立項初期就經(jīng)過廣泛的內(nèi)部討論，到底選用什么方案(如特別功率器件、電容、芯片)，多聽取周圍人的意見，久而久之一定受益匪淺。因為立項前期一般是非正式討論，如果是新手，一定要避免占用別人過多的時間。

開關(guān)芯片選哪家的?EMI電路如何配置?輸入電容取多少?開關(guān)頻率?MOS如何選?二極管?磁芯?輸出電容?好多人在這一步不知如何往下走，下一步將重點分析。

12V5A，通用輸入，標(biāo)準(zhǔn)的配置就是8N60+MBR20100。

需要注意的是，這個參數(shù)不是“算”出來的，因為計算值跟實際情況往往差別非常大，有很大的“彈性”。針對如何選型，首先要考慮的是公司倉庫里有什么，能不能用到。設(shè)計產(chǎn)品時，應(yīng)該是設(shè)計的變壓器參數(shù)(電壓電流應(yīng)力等)來滿足這些元器件的參數(shù)。而不是先設(shè)計好變壓器，再去尋找半導(dǎo)體元器件，實際開發(fā)過程和教材上說的是不一樣的。所以，首先要考慮到的是公司目前有沒有合適的物料。不管是工模電感、半導(dǎo)體，還是電解電容，優(yōu)先采用庫存物料會大大縮短開發(fā)周期和減少各種不確定的因素。

因為開關(guān)電源行業(yè)競爭非常激烈，物料選型的第二個原則是：競爭對手選什么。或者是整個行業(yè)目前的“流行趨勢”，也可以理解為大家都這么干。有時候行業(yè)“默認(rèn)”的做法比第一條原則還要重要。舉個例子，相當(dāng)一部分工業(yè)產(chǎn)品“不認(rèn)可”400V的電解電容，都是450V的，也有部分廠家不認(rèn)可國產(chǎn)的。再例如，PC電源里面的輸入輸出電容、磁芯等永遠(yuǎn)都是那么小!但是這不意味著人家是偷工減料，那個行業(yè)都是那樣，不然電腦怎么會那么便宜。中小功率產(chǎn)品絕大部分都是600V的MOS，12V輸出大部分都是100V的二極管等等……

物料(參數(shù))選型的第三個原則，就是查閱半導(dǎo)體公司提供的各種應(yīng)用文檔、評估板、設(shè)計手冊等等。TI、ON、Fairchild、PI、ST、Infineon都有大把技術(shù)文章，而且現(xiàn)在比起前幾年要“友好”很多，都還是中文的，不看可惜了。物料選型時求助于網(wǎng)路，效率應(yīng)該是最低的。

對于60W這個級別的開關(guān)電源，我們可以采用下面三種輸入電路，修改若干參數(shù)后，前面兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在300W以下應(yīng)該沒有什么問題(需要考慮防雷的場合，輸入端還要加強(qiáng))。仔細(xì)察看這三種結(jié)構(gòu)，會發(fā)現(xiàn)他們有所相同也有所不同，最大的區(qū)別在共模電感配置這一塊。

圖1

注：不管有沒有強(qiáng)制要求，不管PCB板進(jìn)出線是端子連接還是導(dǎo)線連接，請給L、N、PE等端口做好清晰、正確的絲印。

先從輸入電路①開始，從頭至尾來講一下。

輸入濾波電路也很難進(jìn)行精確計算。某些看起來并不太科學(xué)(或者并不流行)的設(shè)計思路，很多時候往往會非常有用。

圖2

F1：保險管的壽命受輸入浪涌電壓和浪涌電流的雙重影響，應(yīng)該盡可能采用慢恢復(fù)型保險管，一般是按照最大輸入電流的兩至三倍選取。AC輸入時，浪涌電壓的影響可能要嚴(yán)重些。電池輸入(低壓)，如果輸入端抑制不足，浪涌電流對保險管的影響可能要嚴(yán)重些。AC輸入時，在工業(yè)場合，浪涌電壓也遠(yuǎn)比民用場合嚴(yán)重，這時防雷器件(參數(shù)及結(jié)構(gòu)配置)的設(shè)計對保險管的影響尤其突出，必要時還要采用雙(三)保險。相關(guān)設(shè)計過程可以參考專門針對防雷電路、浪涌電流抑制電路的設(shè)計文獻(xiàn)。單保險管要接在L線上，且玻璃管引線封裝最好增加一層熱縮套管，并且在PCB板上標(biāo)明容量。

RT1：熱敏電阻的主要作用是抑制輸入浪涌電流，RT1過大，發(fā)熱嚴(yán)重。RT1過小，可能會影響到保險管和輸入電解電容的壽命。輸入沖擊電流一般是硬性指標(biāo)，選擇RT1時一定要仔細(xì)的核實最大沖擊電流限制值，如果沒有給出這項要求，可以參考同等功率級別的其他類型產(chǎn)品。在全密封條件下，RT的發(fā)熱可能會非常嚴(yán)重。另外，如果產(chǎn)品要求低溫啟動測試，RT阻值會變得相當(dāng)大，很可能導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常起機(jī)。

X電容：60W的產(chǎn)品，采用0.47uF的X電容，比較保險。換句話說，30W的產(chǎn)品，應(yīng)該采用0.22uFX電容，120W的產(chǎn)品采用1uF的X電容。盡管這種方法沒有什么科學(xué)依據(jù)，但是確實屢試不爽。如果喜歡比較有挑戰(zhàn)性的工作，那就另當(dāng)別論了。X電容與Y電容不同，X電容容量大一點也不會讓其他地方變得更加惡劣。在成本不是主要因素的情況下，對自己好一點，多留條活路。另外，在圖2中，絕大部分人并不認(rèn)可C4作用，此處存在了很大爭議性。

Y電容：Y電容的配置有兩個的，也有四個的;有102的，也有222、472的，有串磁珠的，也有串電阻的，只要EMI都能過，只要泄露電流沒超就都OK.總之五花八門，千奇百怪。這也反映出人們內(nèi)心對于Y電容充滿深深的恐懼。其實Y電容并沒有錯，性能也較為優(yōu)良，罪魁禍?zhǔn)锥荚谟诖判圆牧?共模電感、變壓器)及接地方式，后續(xù)分析。

MOV1：壓敏電阻的計算方式并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一旦對實際情況估算錯誤(擊穿電壓偏低)，反而會對產(chǎn)品造成嚴(yán)重的危害。在防雷要求不高的民用產(chǎn)品中，一般采用14K471居多，工業(yè)場合一般都在500V以上，如14K511，14K561等等。如果你不了解產(chǎn)品的真實用電環(huán)境(非居民小區(qū)用電)，要盡量避免使用500V以下的壓敏電阻。不同的行業(yè)，采取的防雷措施不盡相同，這一點一定要認(rèn)真仔細(xì)的研究，特別是與多個保險管的配置方面。另外，配置防雷管后，耐壓測試時往往會出現(xiàn)誤動作，這也是讓人頭痛的問題。MOV1需要增加熱縮套管。

DB1：小功率產(chǎn)品，選型比較簡單。從散熱的角度考慮，寬范圍60W產(chǎn)品，整流器的最低規(guī)格不應(yīng)該低于2A.在成本不苛刻的條件下，一般采用4A即可。

對于某些特殊場合，如存在瞬態(tài)高浪涌電壓，整流器的規(guī)格應(yīng)該進(jìn)一步增大。有種情況很少見(但確實有存在)，有部分工程師選擇輸入電解電容時，會選擇超大的容量(可能是量不大，又是自家用)，而浪涌抑制(熱敏)電阻的規(guī)格卻特別小。這時候強(qiáng)大的沖擊電流會對保險管和整流器形成致命的威脅。專業(yè)的電源制造公司不會出現(xiàn)這種情況，而非專業(yè)制造商，在開發(fā)系統(tǒng)配套產(chǎn)品時，由于開發(fā)人員經(jīng)驗不足，又缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試規(guī)范，而忽略這些潛在的隱患。

共模電感：上面分別給出了三種配置：

方案①，這種配置比較多。我們經(jīng)?？吹降那闆r是：前級一個￠8～￠16的小磁環(huán)(30～1000uH)，后級采用一個￠20～￠25的大磁環(huán)(15～30mH)，前級作用在高頻，后級低頻，高低搭配剛好合適。

方案②，這種情況也較為常見，前后兩個一模一樣的共模線圈，非常美觀。采用這種配置時，為了保證較好的濾波效果(降低分布電容)，每一級的電感量(匝數(shù))不能太高。這樣不僅會降低共模電感的分布電容，繞制工藝也會相對簡單，而且美觀，就是成本較高。

方案③，一般對EMI要求較低的產(chǎn)品較多使用，低成本EE型共模電感最為常見。部分對成本要求苛刻的產(chǎn)品中，不少人也會采用單個￠18～25左右的磁環(huán)來設(shè)計，這需要開發(fā)人員具備足夠的經(jīng)驗及技巧。共模電感的材質(zhì)、形狀、繞制工藝對濾波效果影響較大，而且EMI濾波元件配置與整機(jī)結(jié)構(gòu)也有很大的關(guān)系。很多人不知道如何去計算共模電感值，下面是一種參考方法(適用于中小功率)。

100KHZ——30mH

1.0MHZ——3.0mH

10MHZ——300uH

100MHZ——30uH

5.0MHZ——600uH

30MHZ——100uH

在傳導(dǎo)測試時，3*F、1MHZ、5MHZ、20～30MHZ這四個點容易出問題。

注：

1、這種方法，只具有規(guī)律性，而沒有科學(xué)性;

2、共模電感的材質(zhì)、形狀、繞制工藝對其濾波效果影響非常大;

3、共模電感不會飽和(對稱繞制)，但會產(chǎn)生較高的浪涌電壓;

4、共模磁環(huán)，最好只繞兩層，在磁環(huán)繞制工藝方面建議多下點功夫;

5、共模濾波的設(shè)計原則是如何讓其更有效;

壓敏電阻的計算需要考慮到輸入阻抗(熱敏電阻、差模電感、共模電感)、保險管容量、CIN大小等等多種因素。(特別是很多產(chǎn)品的保險管并不是單純的熔絲，而且壓敏電阻也并不一定是剛好在FUSE之后。而且L-N與L、N-PE測試時，需要分別考慮其影響。)

EMC中的四級只是一個測試標(biāo)準(zhǔn)，沒辦法去量化計算，符不符合要求，應(yīng)該取決于以下四點：

1、輸出電壓有沒有跌落(保護(hù))現(xiàn)象;

2、產(chǎn)品會不會損壞;

3、保險管是否存在嚴(yán)重的損傷;

4、共模電感的飛弧控制措施;

Cin、Vacmin、Vdcmin之間的秘密

85～265VAC輸入，12V5A輸出。

①現(xiàn)實情況：選擇100uF/400V的電解電容，估計不會引起太大爭議。

②3uF/W法則：3uF﹡60W=180uF，考慮到效率因素，選擇220uF.

由于Ton、Ae、Bac都可以輕松計算出來(如果定義為已知量)，那么，Np的大小，完全是由Vdcmin決定的。很明顯，此時Vdcmin也決定了LP的大小。而很多人的計算流程關(guān)于Vdcmin的描述比較簡單，估計是受教科書的影響，準(zhǔn)確來說是沒有真正理解。

假設(shè)環(huán)境溫度25℃，60W輸出，85%的效率，Vdcmin計算值如下：

(Vdcmin受多種因素影響，下面的數(shù)據(jù)是采用PI公司的電子數(shù)據(jù)表格計算出來的，僅供參考)

經(jīng)典、權(quán)威教材無一例外的提到：Vdcmin=Vacmin﹡1.414，實際情況并非如此，那么問題出在哪里?可以肯定的是，這些教材在Vdcmin計算問題上，犯錯的可能性較小。好多人設(shè)計產(chǎn)品時，不假思索的引用Vac*1.414，而從來不顧慮到Cin容量的大小。

Vdcmin=Vacmin﹡1.414

成立的前提條件是——必須定義合理的紋波電壓百分比。(紋波電壓百分比=Vdcmax-Vdcmin/Vdcmax;Vdcmax=Vacmin*1.414)

換句話稅，Cin必須滿足Vdcmin，否則公式不成立。這也是Cin在寬范圍輸入時選取3uF/W，窄范圍輸入選取1uF/W的由來。說句題外話，很多12V5A的適配器，采用100uF的電解電容，但是其輸入電壓范圍卻是100～265VAC，會是這個原因嗎?

Cin選取法則：

1、寬范圍輸入3uF/W，窄范圍輸入1uF/W;

2、寬范圍輸入，確保紋波電壓不高于15%(即保證Vdcmin≈100V);

窄范圍輸入，確保紋波電壓不高于20%(即保證Vdcmin≈200V);

3、如果Vdcmin不足，增大Cin容量，直至紋波電壓滿足要求;

4、如果考慮到壽命因素，Cin需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大;

5、Cin的容量受低溫的影響非常明顯，此時Cin需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大;

6、Cin也有紋波電流限制的要求，但關(guān)注較少。

7、如果不曉得如何計算Vdcmin，也沒有安裝軟件，那就拿起示波器去實測吧!要求低溫工作時，更應(yīng)該如此。