用于單片集成開(kāi)關(guān)IC開(kāi)關(guān)電源的反激式變壓器設(shè)計(jì)(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(shuō)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(jí)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(jí)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(jí)繞組的電感。

反激電路的主要優(yōu)勢(shì)是成本，簡(jiǎn)單和容易得到多路輸出。反激式拓?fù)鋵?duì)于100W以?xún)?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(guò)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(méi)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(chǎng)不連續(xù)，當(dāng)變壓器中的能量傳遞到次邊后磁場(chǎng)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(cè)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(kāi)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(xiàn)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(jiàn)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(jí)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(jí)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(jí)，次級(jí)和輔助繞組的變比。下式給出初級(jí)(Np)和次級(jí)(Ns)變比的計(jì)算公式：

此處Vo是次級(jí)輸出電壓，VD是次級(jí)輸出整流管的正向壓降。一個(gè)好的方法是先計(jì)算次級(jí)每

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

對(duì)于多路輸出電源需要反復(fù)計(jì)算找出最佳變比，需要對(duì)輸出電壓采取一些折中以確保匝數(shù)為整數(shù)，沒(méi)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(guò)研磨中間段得到所需的Alg值它也可以用下式由初級(jí)電感Lp(μH)和初級(jí)匝數(shù)Np計(jì)算出。

初級(jí)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(xiàn)電壓Vmin算出。

所需初級(jí)峰值電流Ip可由下式算出

圖2給出不連續(xù)模式初級(jí)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(xiàn)電壓和初級(jí)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(jí)無(wú)電流流過(guò)。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(lài)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(xiàn)電壓和最大負(fù)載。

圖2不連續(xù)反激電路初級(jí)電流波形

根據(jù)初級(jí)RMS電流I rms能夠算出所需導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑，見(jiàn)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(lèi)型和尺寸選擇適當(dāng)?shù)墓β实燃?jí)。根據(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(jiàn)下式

通過(guò)改變次級(jí)匝數(shù)(Ns)可使Bm在所需范圍內(nèi)，也可直接改變初級(jí)匝數(shù)(Np)。對(duì)于專(zhuān)門(mén)磁芯增加次級(jí)匝數(shù)將降低Bm，反過(guò)來(lái)減少次級(jí)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(xiàn)。它給出磁通的交流成分而不是峰峰值。這對(duì)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(wú)隙磁芯的相對(duì)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(zhǎng)度cm2)，AL(電感系數(shù)nH/匝2)計(jì)算出