八步設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源變壓器

引言

反激式變壓器是反激開關(guān)電源的核心，它決定了反激變換器一系列的重要參數(shù)，如占空比D，最大峰值電流，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)合理的工作點(diǎn)上。這樣可以讓其的發(fā)熱盡量小，對(duì)器件的磨損也盡量小。同樣的芯片，同樣的磁芯，若是變壓器設(shè)計(jì)不合理，則整個(gè)開關(guān)電源的性能會(huì)有很大下降，如損耗會(huì)加大，最大輸出功率也會(huì)有下降，下面我系統(tǒng)的說一下我設(shè)計(jì)變壓器的方法。

設(shè)計(jì)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，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，為了便于理解，我們從下面圖一所示的例子談起，慢慢的來。

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，下面分析一下一個(gè)工作周期的工作情況，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，有公式上升了的電流：

I升=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)有下降了的電流：

Ｉ降=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，原邊電感電流會(huì)回到原來的值，不可能會(huì)變，所以，有：

VS*TON/L=VOR*TOFF/L

即上升了的等于下降了的，懂嗎？好懂吧!上式中可以用Ｄ來代替TON，用(１－Ｄ)來代替TOFF。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)變壓器，我選定感應(yīng)電壓為80V，VS為90V ，則D=80/（80+90）=0.47

第二步,確定原邊電流波形的參數(shù)

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。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Iav,二是有效值I,三是其峰值Ip,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：

Iav=Po/（η*VS）

因?yàn)檩敵龉β食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。下一步求電流峰值。

為了求電流峰值我們還要設(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△IM和峰值電流Ip的比值（圖二所示），KRP的取值范圍在0和1之間。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S=Iav*1，這個(gè)波形的面積S等于：

S=IM*KRP*D/2+IM*（1-KRP）*D

所以有電流平均值等于上式，解出來峰值電流：

IM=Iav/[(1-0.5 KRP）*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:

Iav=10/0.8*90=0.138A,

我設(shè)定KRP的值是0.6，而最大值：

IM=0.138/(1-0.5KRP).D=0.138/(1-0.5*0.6)*0.47=0.419A.

下面球電流的有效值I,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.

如圖一所示電路,電流有效值：

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,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.我一般是憑經(jīng)驗(yàn)來的.

第四步,計(jì)算變壓器的原邊匝數(shù)

原邊使用的線徑.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?所以其才有了變壓的作用,

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,磁芯的橫截面積和磁芯振幅,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)公式來源于法拉第電磁感應(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,簡(jiǎn)單吧.我的這個(gè)NP=90*4.7μS/32mm2*0.15==88.15,取整數(shù)為88匝。

算了匝數(shù),再確定線徑。一般來說電流越大,導(dǎo)線越容易發(fā)熱,所需要的導(dǎo)線就越粗,,需要的線徑由電流有效值來確定,而不是平均值.上面已經(jīng)計(jì)算了有效值,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4~10A/mm2.記住這一點(diǎn)很重要. 另外，因?yàn)楦哳l電流有趨效應(yīng)，若是電流很大,最好采用兩股或是兩股以上的線并繞,這樣效果更好.

第五步,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)楦边呡敵鲭妷簽?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)是多少呢,當(dāng)然其遵守變壓器匝數(shù)和電壓成正比的規(guī)律啦.所以副邊匝數(shù):

NS=NP*(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.

要算副邊的線徑,首先要算出副邊的有效值電流啦,副邊電流的波形會(huì)畫嗎,我畫給大家看一下吧,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吧？哦,再提醒一句,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)倍哦.

第六，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),懂什么意思嗎,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.

第七步,確定電感量

記得原邊的電流上升公式嗎I升=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升=IM*KRP,所以:

L=VS.TON/(IM*KRP)

知道了嗎,從此就確定了原邊電感的值.

第八步,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,磁芯橫截面積，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=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).

總結(jié)

設(shè)計(jì)高頻變壓器,有幾個(gè)參數(shù)要自己設(shè)定,這幾個(gè)參數(shù)就決定了開關(guān)電源的工作方式,第一是要設(shè)定最大占空比D,這個(gè)占空比是由你自己設(shè)定的感應(yīng)電壓VOR來確定的,再就是設(shè)定原邊電流的波形,確定KRP的值,設(shè)計(jì)變壓器時(shí),還要設(shè)定其磁芯振幅B,這又是一個(gè)設(shè)定,所有這些設(shè)定,就讓這個(gè)開關(guān)電源工作在你設(shè)定的方式之下了.要不斷的調(diào)整,工作在一個(gè)對(duì)你來說最好的狀態(tài)之下,這就是高頻變壓器的設(shè)計(jì)任務(wù)。