反激開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)有方

反激式變壓器是反激開關(guān)電源的技術(shù)核心，它決定了反激變換器一系列的參數(shù)，如占空比、最大峰值電流等，設(shè)計(jì)反激式變壓器就是要讓反激式開關(guān)電源工作在一個(gè)合理的狀態(tài)。這樣可以讓發(fā)熱盡量減小，對(duì)器件的磨損也降到最低。同樣的芯片、磁芯，一旦變壓器設(shè)計(jì)不合理，則整個(gè)開關(guān)電源性能都不會(huì)理想，導(dǎo)致?lián)p耗大，最大輸出功率下降等現(xiàn)象，下面我系統(tǒng)介紹下可實(shí)施性變壓器設(shè)計(jì)方案。

算變壓器，就是要先選定一個(gè)工作點(diǎn)，在這個(gè)工作點(diǎn)上算，這個(gè)是最苛刻的一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是最低的交流輸入電壓，對(duì)應(yīng)于最大的輸出功率。下面我就來算了一個(gè)輸入85V到265V，輸出5V，2A的電源，開關(guān)頻率是100KHZ。

第一步就是選定原邊感應(yīng)電壓VOR，這個(gè)值是由自己來設(shè)定的，這個(gè)值就決定了電源的占空比?？赡芘笥褌儾焕斫馐裁词窃吀袘?yīng)電壓，這要從下面看起。

這是一個(gè)典型的單端反激式開關(guān)電源，大家再熟悉不過了，來分析一下一個(gè)工作周期，當(dāng)開關(guān)管開通的時(shí)候，原邊相當(dāng)于一個(gè)電感，電感兩端加上電壓，其電流值不會(huì)突變，而線性的上升，有公式上升了的I=Vs*ton/L，這三項(xiàng)分別是原邊輸入電壓，開關(guān)開通時(shí)間和原邊電感量。在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，原邊電感放電，電感電流又會(huì)下降，同樣要尊守上面的公式定律，此時(shí)有下降了的I=VOR*toff/L，這三項(xiàng)分別是原邊感應(yīng)電壓，即放電電壓，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間和電感量。在經(jīng)過一個(gè)周期后，原邊電感電流的值會(huì)回到原來，不可能會(huì)變，所以，有VS*TON/L=VOR*TOFF/L，上升了的等于下降了的，上式中可以用D來代替TON，用1-D來代替TOOF，移項(xiàng)可得，D=VOR/(VOR+VS)。此即是最大占空比了。比如說我設(shè)計(jì)的這個(gè)，我選定感應(yīng)電壓為80V，VS為90V ，則D=80/(*80+90)=0.47。第二步：確實(shí)原邊電流波形的參數(shù)。原邊電流波形有三個(gè)參數(shù)，平均電流，有效值電流,峰值電流。首先要知道原邊電流的波形，原邊電流的波形如下圖所示，畫的不好,不要笑。這是一個(gè)梯形波橫向表示時(shí)間，縱向表示電流大小，這個(gè)波形有三個(gè)值，一是平均值，二是有效值，三是其峰值，平均值就是把這個(gè)波形的面積再除以其時(shí)間，如下面那一條橫線所示，首先要確定這個(gè)值，這個(gè)值是這樣算的，電流平均值=輸出功率/效率*VS，因?yàn)檩敵龉β食艘孕示褪禽斎牍β?，然后輸入功率再除以輸入電壓就是輸入電流，這個(gè)就是平均值電流。現(xiàn)在下一步就是求那個(gè)電流峰值，尖峰值是多少，，這個(gè)我們自己還要設(shè)定一個(gè)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)就是KRP，所謂KRP，就是指最大脈動(dòng)電流和峰值電流的比值這個(gè)比值下圖分別是最大脈動(dòng)電流和峰值電流。是在0和1之間的。這個(gè)值很重要。已知了KRP，現(xiàn)在要解方程了，都會(huì)解方程吧，這是初一的應(yīng)用題啊，我來解一下，已知這個(gè)波形一個(gè)周期的面積等于電流平均值*1，這個(gè)波形的面積等于，峰值電流*KRP*D+峰值電流*(1-KRP)*D，所以有電流平均值等于上式，解出來峰值電流=電流平均值/(1-0.5KRP)*D。比如說我這個(gè)輸出是10W，設(shè)定效率是0.8。則輸入的平均電流就是10/0.8*90=0.138A，我設(shè)定KRP的值是0.6而最大值=0.138 /(1-0.5KRP).D=0.138/(1-0.5*0.6)*0.47=0.419A。

第三個(gè)電流參數(shù)：就是這個(gè)電流的有效值，電流有效值和平均值是不一樣的，有效值的定義還記得嗎，就是說把這個(gè)電流加在一個(gè)電阻上，若是其發(fā)熱和另處一個(gè)直流電流加在這個(gè)電阻上發(fā)熱效果一樣的話，那么這個(gè)電流的有效值就等于這個(gè)直流的電流值，所以這個(gè)電流的有效值不等于其平均值，一般比其平均值要大，而且同樣的平均值，可以對(duì)應(yīng)很多個(gè)有效值，若是把KRP的值選得越大，有效值就會(huì)越大，有效值還和占空比D也有關(guān)系，總之，它這個(gè)電流波形的形狀是息息相關(guān)的。我就直接給出有效值的電流公式，這個(gè)公式要用積分才能推得出來，我就不推了，只要大家區(qū)分開來有效值和平均值就可以了。

電流有效值=電流峰值*根號(hào)下的D*(KRP的平方/3-KRP+1)如我現(xiàn)在這個(gè)，電流有效值=0.419*根號(hào)下0.47*(0.36 /3-0.6+1)=0.20A，所以對(duì)應(yīng)于相同的功率，也就是有相同的輸入電流時(shí)，其有效值和這些參數(shù)是有關(guān)的，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整參數(shù)，使有效值最小，發(fā)熱也就最小，損耗小，這便優(yōu)化了設(shè)計(jì)。

第三步：開始設(shè)計(jì)變壓器準(zhǔn)備工作。已知了開關(guān)頻率是100KHZ則開關(guān)周期就是10微秒了，占空比是0.47，那么TON就是4.7微秒了，記好這兩個(gè)數(shù)，對(duì)下面有用。

第四步：選定變壓器磁芯，這個(gè)就是憑經(jīng)驗(yàn)了。如果你不會(huì)選就估一個(gè)，計(jì)算就行了;若是不行，可以再換一個(gè)大一點(diǎn)的或是小一點(diǎn)的，不過有的資料上有如何根據(jù)功率去選磁芯的公式或是區(qū)線圖，大家不妨也可以參考一下。第五步：計(jì)算變壓器的原邊匝數(shù)，原邊使用的經(jīng)徑。計(jì)算原邊匝數(shù)的時(shí)候，要選定一個(gè)磁芯的振幅B，即這個(gè)磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化區(qū)間，因?yàn)榧由戏讲妷汉?，這個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度是變化的，正是因?yàn)樽兓云洳庞辛俗儔旱淖饔?。NP=VS*TON/SJ*B，這幾個(gè)參數(shù)分別是原邊匝數(shù)，最小輸入電壓，導(dǎo)通時(shí)間，磁芯的橫節(jié)面積和磁芯振幅，一般取B的值是0.1到0.2之間，取得越小變壓器的鐵損就越小;但相應(yīng)變壓器的體積會(huì)大些。這個(gè)公式來源于法拉弟電磁感應(yīng)定律，這個(gè)定律是說在一個(gè)鐵心中，當(dāng)磁通變化的時(shí)候，其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓，這個(gè)感應(yīng)電壓=磁通的變化量/時(shí)間T再乘以匝數(shù)比，把磁通變化量換成磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量乘以其面積就可以推出上式來。我的這個(gè)NP=90*4.7微秒/32平方毫米*0.15，得到88匝0.15是我選取的了值。算了匝數(shù)，再確定線徑，一般來說電流越大線越熱，所以需要的導(dǎo)線就越粗，需要的線徑由有效值來確定，而不是平均值。上面已經(jīng)算得了有效值，所以就來選線，我用0.25的線就可以了，用0.25的線，其面積是0.049平方毫米，電流是0.2安，所以其電流密度是4.08，一般選定電流密度是4到10安第平方毫米。記住這一點(diǎn)也很重要。若是電流很大，最好采用兩股或是兩股以上的線并繞，因?yàn)楦哳l電流有趨效應(yīng)，這樣可以比較好。

第六步：確定次級(jí)繞組的參數(shù)，圈數(shù)和線徑。記得原邊感應(yīng)電壓吧，這就是一個(gè)放電電壓，原邊就是以這個(gè)電壓放電給副邊的，看上邊的圖，因?yàn)楦边呡敵鲭娞珵?V，加上肖特基管的壓降，就有5.6V，原邊以80V的電壓放電，副邊以5.6V的電壓放電，那么匝數(shù)是多少,當(dāng)然其遵守變壓器那個(gè)匝數(shù)和電壓成正比的規(guī)律。所以副邊電壓=NS*(UO+UF)/VOR，其中UF為肖特基管壓降，如我這個(gè)副邊匝數(shù)等于88*5.6/80，得6.16，整取6匝。再算副邊的線徑，當(dāng)然也就要算出副邊的有效值電流，下圖為副邊電流的波形。

畫的不太對(duì)稱，只要知道這個(gè)意思就可以了。有突起的時(shí)間是1-D，沒有突起的是D，剛好和原邊相反，但其KRP 的值和原邊相同的這下知道了這個(gè)波形的有效值是怎么算的了。這個(gè)峰值電流就是原邊峰值電流乘以其匝數(shù)比，要比原邊峰值電流大數(shù)倍。

第七步確定反饋繞組的參數(shù)。反饋是反激的電壓，其電壓是取自輸出級(jí)的，所以反饋電壓是穩(wěn)定的，TOP 的電源電壓是5.7到9V，繞上7匝，那么其電壓大概是6V多，這就可以了，記得反饋電壓是反激的，其匝數(shù)比要和幅邊對(duì)應(yīng)，至于線，因?yàn)榱鬟^其的電流很小，所以就用繞原邊的線繞就可以了，無嚴(yán)格的要求。第八步確定電感量。記得原邊的電流上升公式嗎，I=VS*TON/L。因?yàn)槟阋呀?jīng)從上面畫出了原邊電流的波形，這個(gè)I就是：峰值電流*KRP，所以L=VS.TON/峰值電流*KRP，確定原邊電感的值。

第九步驗(yàn)證設(shè)計(jì)。即驗(yàn)證一下最大磁感應(yīng)強(qiáng)度是不是超過了磁芯的允許值，有BMAX=L*IP/SJ*NP。這個(gè)五個(gè)參數(shù)分別表示磁通最大值， 原邊電感量，峰值電流，原邊匝數(shù)，這個(gè)公式是從電感量L的概念公式推過來的，因?yàn)長(zhǎng)=磁鏈/流過電感線圈的電流，磁鏈等于磁通乘以其匝數(shù)，而磁通就是磁感應(yīng)強(qiáng)度乘以其截面積，分別代入到上面，即當(dāng)原邊線圈流過峰值電流時(shí)，此時(shí)磁芯達(dá)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，這個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度就用以上公式計(jì)算。BMAX的值一般一要超過0.3T，若是好的磁芯，可以大一些，若是超過了這個(gè)值，就可以增加原邊匝數(shù)，或是換大的磁芯來調(diào)。

公式：

D=VOR/(VOR+VS ) (1)

IAVE=P/效率*VS (2)

IP=IAVE/(1-0.5KRP)*D (3)

I有效值=電流峰值*根號(hào)下的D*(KRP的平方/3-KRP+1) (4)

NP=VS*TON/SJ*B (5)

NS=NP*(VO+VF)/VOR (6)

L=VS.TON/IP.KRP (7)

BMAX=L*IP/SJ.NP (8)

總結(jié)

設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)參數(shù)需要自己設(shè)定，準(zhǔn)確的參數(shù)決定了開關(guān)電源穩(wěn)定的工作方式。首先要設(shè)定最大占空比D，占空比是由設(shè)定的感應(yīng)電壓VOR確定，再而就是設(shè)定原邊電流波形，確定KRP值，設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，還要設(shè)定磁芯振幅B，所有這些設(shè)定，就是讓開關(guān)電源工作在你的“指示”下工作。而且要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行線路調(diào)整，讓所有元器件在最好的狀態(tài)下工作，這就是優(yōu)質(zhì)高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法。