如何為隔離降壓轉換器選擇變壓器？

隔離式降壓拓撲與通用降壓轉換器拓撲相似，如圖1所示。使用變壓器替換降壓電路中的電感器，就可以得到隔離式降壓轉換器。變壓器的副邊可以獨立接地。

圖1. 隔離式降壓拓撲。

在導通期間，高側開關管(QHS)接通，低側開關管(QLS)斷開。變壓器的磁化電感(LPRI)此時被充電。電流方向如圖2中的箭頭所示。原邊電流隨時間線性增加。電流的斜率取決于(VIN – VPRI)和 LPRI。在此時段內，副邊二極管D1反向偏置，電流從輸出電容 (COUT)傳輸至負載。

圖2. 導通時段等效電路。

在關斷期間，QHS斷開，QLS接通。原邊電感放電。原邊電流從 QLS流向地，D1正向偏置，副邊電流從副邊線圈流向COUT和負載。在此時段，輸出電容（COUT）被充電。（斷開QHS和接通QLS不會改變電流方向；只會改變電流坡度。在正電流降至0 A之后，反向電流開始增大。）

圖3. 關斷時段等效電路。

在設計轉換器時，應明確指定一些規格參數。它們將決定電路選用哪些器件尤其是選用那個變壓器。

最大占空比(D)通常介于0.4至0.6之間。最小輸入電壓(VIN_MIN)和最大占空比將決定原邊輸出電壓(VPRI)。原邊輸出電壓(VPRI)和副邊輸出電壓(VOUT)將決定變壓器的匝數比。

輸出電流(IOUT)和輸出功率(POUT)是影響變壓器選擇的重要參數。輸出電流決定銅線的粗細，輸出功率決定應使用哪個變壓器線軸。線軸的磁導率決定它能存儲多少電能，能輸出多少功率。一般來說，DC輸出電流乘以一個系數，就能得出電感（變壓器）的紋波電流。占空比和開關頻率可以用來計算TON時間，VIN、VPRI和紋波電流可以確定原邊電感。分配的系數不能太大或太小，較大的系數會導致高紋波電流。高紋波電流可能達到半H橋限流值的，這會損壞MOSFET。由于存在ESR和ESL，輸出電容將會承受大紋波電壓。與之相反，當需要極小的紋波電流時，應使用電感值很高的電感器（變壓器）。如果線圈匝數很多，則需要使用笨重的線軸。大電感會限制環路帶寬，降低動態響應系數。

電能僅在TOFF時間內傳輸至副邊線圈。匝數比可以通過公式1計算：

其中，VD表示副邊二極管正向偏置電壓。VPRI的最大占空比一般介于0.4至0.6之間。VPRI可以采用公式2計算：

其中，D為最大占空比，VIN_MIN為最小輸入電壓。使用公式2可計算出匝數比。在非隔離降壓轉換器中，電感兩側的紋波電流相同。利用公式3可輕松計算出所需的電感。

其中f為開關頻率，ΔI為紋波電流。如前所述，我們設定紋波電流= DC輸出電流 x 系數。

其中K為系數。但是，隔離式降壓轉換器拓撲中只有變壓器，沒有電感。如果其中的組件是變壓器而非電感時，該怎么辦？我們知道，電流比等于匝數比的倒數：

IPRITOFF是關斷期間副邊電流，它在關斷期間會激勵原邊產生電流。應添加變壓器雙線圈電流，將其作為等效電感電流。

其中，ILeq表示等效電感電流。如果變壓器還有三個繞組，那么

是這樣嗎？我們來看看基于MAX17682得出的仿真結果。圖4顯示 MAX17682電路，采用EE-Sim? OASIS繪制，由SIMetrix/SIMPLIS提供。變壓器兩側裝有電流檢測探頭，分別為IPRI和ISEC1。

圖4. MAX17682典型電路，采用EE-Sim OASIS繪制，由SIMetrix/SIMPLIS供電。

圖5. MAX17682典型電路的仿真電流波形。

圖5顯示兩個探頭的瞬態仿真結果。這兩個電流波形是根據公式6得出并添加的。

添加的電流結果（紅色）為三角波，其表現就像是非隔離降壓轉換器中的電感。因此，可以使用以下公式輕松計算出變壓器的原邊ΔI：

通常，采用0.2倍DC輸出電流作為負載紋波電流。所以，K等于0.2 乘NSEC/NPRI。同時，原邊峰值電流應低于開關限流值，其中IPK的計算公式如下：

變壓器的原邊電感可以使用以下公式計算得出：

根據匝數比、原邊電感、輸出功率、輸出電流和隔離電壓，可以決定應使用哪個電感。

下面介紹如何更好地理解和使用MAX17682數據手冊中所示的公式（參見圖6）。

圖6. MAX17682數據手冊的屏幕截圖。

如前所述，可以將公式10改寫為公式11，以得出關斷期間的等效公式。

假設D為0.6，只有當ΔI為0.4 A，多項式(1 – D)和ΔI才會抵消。公式 11和圖6所示的公式相同。數據手冊中的公式已選擇原邊紋波電流。如果指定D為0.6，那么原邊紋波電流為0.4 A。在數量上，TOFF占空比等于原邊紋波電流。

根據圖6所示的簡化公式，指定原邊紋波電流等于TOFF占空比時，可以更快完成設計。如果想更改原邊紋波電流或使用其他參數，可以按照本教程說明進行操作。