一款I(lǐng)C開關(guān)電源的反激式變壓器設(shè)計(jì)方案(一)

　1〕反激式變壓器設(shè)計(jì)介紹

　　反激式電源變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一是變壓器的設(shè)計(jì)。在此我們所說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(chǔ)裝置。在變壓器初級導(dǎo)通期間能量存儲(chǔ)在磁芯的氣隙中，關(guān)斷期間存儲(chǔ)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(rèn)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，簡單和容易得到多路輸出。反激式拓?fù)鋵τ?00W以內(nèi)的系統(tǒng)是實(shí)用和廉價(jià)的。大于100W的系統(tǒng)由于著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(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的過程，因?yàn)榕c它的變量個(gè)數(shù)有關(guān)，但是它不是很困難，稍有經(jīng)驗(yàn)就可快速和容易的處理。在變壓器設(shè)計(jì)之前的重點(diǎn)是定義電源參數(shù)，諸如輸入電壓，輸出功率，最小工作頻率，最大占空比等。根據(jù)這些我們就可以計(jì)算出變壓器參數(shù)，選擇合適的磁芯。如果計(jì)算參數(shù)沒有落在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，重復(fù)計(jì)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(shè)計(jì)應(yīng)用于準(zhǔn)諧振方式，這意味變壓器工作于不連續(xù)模式（磁場不連續(xù)，當(dāng)變壓器中的能量傳遞到次邊后磁場反回到零）。在PRC模式中的變壓器通常也工作于不連續(xù)狀態(tài)，若工作于連續(xù)狀態(tài)時(shí)工作頻率設(shè)置的很低（約20KHz時(shí)一般不實(shí)用，因?yàn)樾枰^大尺寸的磁芯）。因此本應(yīng)用手冊僅包含不連續(xù)設(shè)計(jì)的實(shí)例。

　　2〕電源設(shè)計(jì)所需的標(biāo)準(zhǔn)

　　在開始變壓器設(shè)計(jì)之前，根據(jù)電源的規(guī)范必須定義一些參數(shù)如下：

　　1〕最小工作頻率-FMin

　　2〕預(yù)計(jì)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,見圖1〕

　　3〕變壓器設(shè)計(jì)步驟

　　首先計(jì)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(fù)二極管，當(dāng)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(jì)算的是總的輸出功率。

　　根據(jù)Po變壓器的初級電感可由下式計(jì)算出。

　　                         圖1 IR40xx系列反激電路典型應(yīng)用

　　下一步是計(jì)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(jì)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(jì)算次級每

　　伏的匝數(shù)，依此可計(jì)算出初級的匝數(shù)。輔助繞組的匝數(shù)NB可依下式算出。

　　對于多路輸出電源需要反復(fù)計(jì)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(shù)為整數(shù)，沒有半匝。

　　現(xiàn)在就可計(jì)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(biāo)準(zhǔn)磁芯通過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(shù)Np計(jì)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(xù)模式初級電流波形。可以看出在t1導(dǎo)通期間有一斜坡電流，其上升斜率受直流總線電壓和初級電感Lp控制，最終達(dá)到剛才所計(jì)算的峰值電流值Ip.在t2關(guān)斷期間初級無電流流過。在I=Ip處出現(xiàn)峰值磁通。由于IR40xx是自準(zhǔn)諧振電路，t1與t2的轉(zhuǎn)換依賴于輸出負(fù)載和輸入電壓。計(jì)算時(shí)我們可采用變壓器最壞情況下的最低頻率，最低直流總線電壓和最大負(fù)載。

　                        　圖2不連續(xù)反激電路初級電流波形

　　根據(jù)初級RMS電流I rms能夠算出所需導(dǎo)線線徑，見下式：

　　下一步是計(jì)算所需磁芯尺寸和氣隙。首先選擇磁芯尺寸，可以應(yīng)用第五部分給出的磁芯類型和尺寸選擇適當(dāng)?shù)墓β实燃墶８鶕?jù)下式由有效截面積Ae（cm2）計(jì)算出最大磁通密度Bm,作為磁芯選擇依據(jù)（Bm應(yīng)在2000~3000高斯之間，低于2000磁芯未被充分利用，高于3000依據(jù)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(jì)算所需磁芯的最小Ae.見下式

　　通過改變次級匝數(shù)（Ns）可使Bm在所需范圍內(nèi)，也可直接改變初級匝數(shù)（Np）。對于專門磁芯增加次級匝數(shù)將降低Bm,反過來減少次級匝數(shù)將增大Bm.

　　交流磁密BAC的應(yīng)用可依據(jù)廠商提供的磁芯損耗曲線。它給出磁通的交流成分而不是峰峰值。這對不連續(xù)變壓器設(shè)計(jì)可很方便由下式算出

　　下一步是計(jì)算所需氣隙。這意味著先要計(jì)算無隙磁芯的相對導(dǎo)磁率μr,它可由磁芯參數(shù)Ae（有效截面積cm2），Le（有效磁路長度cm2），AL（電感系數(shù)nH/匝2）計(jì)算出

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　　現(xiàn)在可以計(jì)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圍元件產(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(jì)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(jì)算公式如下：

　　隨著參數(shù)的計(jì)算和確定我們現(xiàn)在需要計(jì)算合適的導(dǎo)線規(guī)格。首先需要根據(jù)實(shí)際骨架寬度（BW）計(jì)算可用骨架寬度（BWA），初級繞組（L）層數(shù)，余留寬度（M）。初級可繞1,2層或3層但要盡量減少層數(shù)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(tǒng)輸入電壓和安全處理決定的所需絕緣程度（詳見第4部分變壓器結(jié)構(gòu)）。另一可行辦法是次級

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

　　現(xiàn)在根據(jù)可利用的繞組寬度計(jì)算出初級導(dǎo)線規(guī)格，由初級匝數(shù)計(jì)算出包括絕緣層在內(nèi)的導(dǎo)線外（OD,mm）。計(jì)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(qiáng)的耦合

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

　　計(jì)算的CMAp值應(yīng)在200~500之間，低于200的電流密度太高，它會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱和功率損耗，高于500導(dǎo)線未被利用到額定電流容量值。如果計(jì)算的CMAp低于200需重復(fù)計(jì)算，可以增加繞組層數(shù)或選擇大一規(guī)格的磁芯。

　　如果CMAp高于500就減少繞組層數(shù)或小一規(guī)格的磁芯進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。作為一個(gè)規(guī)范初級導(dǎo)線規(guī)格應(yīng)在26AWG之內(nèi)。這是因?yàn)樵诟哳l時(shí)電流只在導(dǎo)線表面流動(dòng)，大規(guī)格導(dǎo)線的中心沒有被利用，電流集中在導(dǎo)線表面，這樣就減小了導(dǎo)線有效栽流截面?？梢杂枚喙蓪?dǎo)線克服這以問題，例如多股標(biāo)準(zhǔn)26AWG導(dǎo)線可給出相同的有效CMA.

　　現(xiàn)在我們需要計(jì)算輔助繞組導(dǎo)線規(guī)格和次級繞組導(dǎo)線規(guī)格（或多路輸出電源的繞組）。利用下式能夠計(jì)算出適當(dāng)繞組的次級峰值電流

　　此處Pox是所計(jì)算的次級繞組的輸出功率，Po是先前計(jì)算的總輸出功率。這確保所計(jì)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(dǎo)線規(guī)格不超標(biāo)，這假定次級是單獨(dú)繞組。一個(gè)可選的辦法是疊加

　　次級繞組，通過合并輸出返回連接端能夠減少骨架所需引腳數(shù)。這兩種次級繞組安排見下圖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(dǎo)S1,S2,S3的和電流，次級S2傳導(dǎo)S2,S3的和電流，因此導(dǎo)線的規(guī)格必須于之相適應(yīng)。Ispx計(jì)算公式變?yōu)橄率剑?/font>