連續(xù)電流模式反激變壓器的設(shè)計-萬必明

1、連續(xù)電流模式反激變壓器的設(shè)計 Design of Flyback Transformer withContinuing Current Model作者:深圳市核達(dá)中遠(yuǎn)通電源技術(shù)有限公司 - 萬必明 摘要:本文首先介紹了反激變換器(Flyback Converter的工作原理,然后 重點介紹一種連續(xù)電流模式反激變壓器的設(shè)計方法以及多路輸出各 次級電流有效值的計算.關(guān)鍵詞:連續(xù)電流模式(不完全能量傳遞方式、不連續(xù)電流模式(完全 能量傳遞方式、有效值、峰值.Keywords: Continuing Current Model、Discontinuing Current Model、 virtual

2、value 、peak value.一. 序 言反激式變換器以其電路結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉而深受廣大開發(fā)工程 師的喜愛,它特別適合小功率電源以及各種電源適配器.但是反激式變 換器的設(shè)計難點是變壓器的設(shè)計,因為輸入電壓范圍寬,特別是在低輸 入電壓,滿負(fù)載條件下變壓器會工作在連續(xù)電流模式(CCM,而在高輸 入電壓,輕負(fù)載條件下變壓器又會工作在不連續(xù)電流模式(DCM;另外 關(guān)于 CCM 模式反激變壓器設(shè)計的論述文章極少,在大多數(shù)開關(guān)電源技 術(shù)書籍的論述中, 反激變壓器的設(shè)計均按完全能量傳遞方式(DCM模 式或臨界模式來計算,但這樣的設(shè)計并未真實反映反激變壓器的實際 工作情況,變壓器的工作狀態(tài)可能不是最佳

3、.因此結(jié)合本人的實際調(diào)試 經(jīng)驗和心得,講述一下不完全能量傳遞方式(CCM 反激變壓器的設(shè)計.二.反激式變換器(Flyback Converter的工作原理1.反激式變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖一.2.當(dāng)開關(guān)管 Q1導(dǎo)通時,其等效電路如圖二(a及在導(dǎo)通時初級電流 連續(xù)時的波形,磁化曲線如圖二(b. 圖一 圖二(a 當(dāng) Q1存在其中.由于變壓器初級與次級側(cè)之線圈極性是相反的,因此二極管 D1不會導(dǎo)通,輸出功率則由 Co 來提供.此時變壓器相當(dāng)于一個串聯(lián)電 感 Lp,初級線圈電流 Ip 可以表示為:ip(t=ip(0+1/Lp* 0DT Vdc*dtVdc=Lp*dip/dt此時變壓器磁芯之磁通密度會從剩磁

4、 Br 增加到工作峰值 Bw.3.當(dāng) Q1截止時, 其等效電路如圖三(a及在截止時次級電流波形,磁 化曲線如圖三(b. 當(dāng) Q1截止時,變壓器之安匝數(shù)(Ampere-Turns NI不會改變,因為B 并沒有相對的改變.當(dāng)B 向負(fù)的方向改變時(即從 Bw 降低到 Br,在變 壓器所有線圈之電壓極性將會反轉(zhuǎn),并使 D1導(dǎo)通,也就是說儲存在變 壓器中的能量會經(jīng) D1,傳遞到 Co 和負(fù)載上.此時次級線圈兩端電壓為:Vs(t=Vo+Vf (Vf為二極管 D1的壓降.次級線圈電流:is(t=is(DT-1/Ls* DT T V S (t*dtLp=(Np/Ns2*Ls (Ls為次級線圈電感量 由于變壓器

5、能量沒有完全轉(zhuǎn)移,在下一次導(dǎo)通時,還有能量儲存在變 壓器中,次級電流并沒有降低到 0值,因此稱為連續(xù)電流模式或不完全 能量傳遞模式(CCM.三.CCM 模式下反激變壓器設(shè)計的步驟1. 確定電源規(guī)格.1.輸入電壓范圍 Vin=85265Vac;2.輸出電壓/負(fù)載電流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A;3.變壓器的效率 =0.902. 工作頻率和最大占空比確定.取:工作頻率 fosc=100KHz, 最大占空比 Dmax=0.45.T=1/fosc=10us.Ton(max=0.45*10=4.5usToff=10-4.5=5.5us.3. 計算變壓器初與次級匝數(shù)比 n(Np/N

6、s=n.最低輸入電壓 Vin(min=85*2-20=100Vdc(取低頻紋波為 20V. 根據(jù)伏特-秒平衡,有: Vin(min* Dmax= (Vout+Vf *(1-Dmax*n. n= Vin(min* Dmax/ (Vout+Vf *(1-Dmaxn=100*0.45/(5+1.0*0.55=13.644. 變壓器初級峰值電流的計算.設(shè)+5V輸出電流的過流點為 120%;+5v和+12v整流二極管的正向 壓降均為 1.0V.+5V輸出功率 Pout 1=(V01+Vf *I01*120%=6*10*1.2=72W +12V輸出功率 Pout 2=(V02+Vf *I02=13*1=1

7、3W變壓器次級輸出總功率 Pout=Pout1+Pout2=85W如圖四, 設(shè) Ip 2=k*Ip1, 取 k=0.4 1/2*(Ip1+Ip2*Vin(min*Ton(max/T= Pout/Ip 1=2*Pout/(1+k*Vin(min*Dmax Ip=2*85/0.90*(1+0.4*100*0.45=3.00AIp 2=0.4*Ip1=1.20A ( 圖四5. 變壓器初級電感量的計算.由式子 Vdc=Lp*dip/dt,得:Lp= Vin(min*Ton(max/Ip1-Ip 2=100*4.5/3.00-1.20=250uH6.變壓器鐵芯的選擇.根據(jù)式子 Aw*Ae=Pt*106/

8、2*ko*kc*fosc*Bm*j*,其中: Pt(變壓器的標(biāo)稱輸出功率= Pout=85WKo(窗口的銅填充系數(shù)=0.4Kc(磁芯填充系數(shù)=1(對于鐵氧體,變壓器磁通密度 Bm=1500 Gsj(電流密度: j=5A/mm2;Aw*Ae=85*106/2*0.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90 =0.157cm4考慮到繞線空間,選擇窗口面積大的磁芯,查表: EER2834S 鐵氧體磁芯的有效截面積 Ae=0.854cm2它的窗口面積 Aw=148mm2=1.48cm2EER2834S 的功率容量乘積為Ap =Ae*Aw=1.48*0.854=1.264cm4 0.157cm4

9、故選擇 EER2834S 鐵氧體磁芯.7.變壓器初級匝數(shù)及氣隙長度的計算.1.由 Np=Lp*(Ip1-Ip 2/Ae*Bm,得:Np=250*(3.00-1.20/85.4*0.15 =35.12 取 Np=36 由 Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:氣隙長度 lg=uo*ur*Ae*Np2/Lp=4*3.14*10-7*1*85.4mm2*362/(250.0*10-3mH =0.556mm 取 lg=0.6mm2. 當(dāng)+5V限流輸出,Ip 為最大時(Ip=Ip1=3.00A,檢查 Bmax. Bmax=Lp*Ip/Ae*Np=250*10-6*3.00/85.4 mm2*36=0

10、.2440T=2440Gs 3000Gs因此變壓器磁芯選擇通過.8. 變壓器次級匝數(shù)的計算.Ns1(5v=Np/n=36/13.64=2.64 取 Ns1=3 Ns2(12v=(12+1* Ns1/(5+1=6.50 取 Ns2=7 故初次級實際匝比:n=36/3=129.重新核算占空比 Dmax 和 Dmin.1.當(dāng)輸入電壓為最低時: Vin(min=100Vdc.由 Vin(min* Dmax= (Vout+Vf*(1-Dmax*n,得:Dmax=(Vout+Vf*n/(Vout+Vf*n+ Vin(min=6*12/6*12+100=0.4182.當(dāng)輸入電壓為最高時: Vin(max=2

11、65*1.414=374.7Vdc. Dmin=(Vout+Vf*n/(Vout+Vf*n+ Vin(max=6*12.00/6*12.00+374.7=0.1610. 重新核算變壓器初級電流的峰值 Ip 和有效值 Ip(rms. 1.在輸入電壓為最低 Vin(min和占空比為 Dmax 條件下,計算 Ip 值和 K 值.(如圖五設(shè) Ip 2=k*Ip1.實際輸出功率 Pout=6*10+13*1=73W1/2*(Ip1+Ip2*Vin(min*Ton(max/T= Pout/ (1K=1-Vin(min* Ton(max/(Ip1*Lp (2由(1(2得:Ip 1=1/2*2*Pout*T/

12、* Vin(min*Ton(max+Vin(min* Ton(max/Lp=0.5*2*73*10/0.90*100*4.18+100*4.18/250.0=2.78AK=1-100*4.18/2.78*250=0.40Ip 2=k*Ip1=2.78*0.40=1.11A2.初級電流有效值 Ip(rms=Ton/(3T*(Ip12+Ip22+Ip1*Ip21/2 =0.418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11 1/2 =1.30A Ip 2(1.11At11. 次級線圈的峰值電流和有效值電流計算:當(dāng)開關(guān)管截止時, 變壓器之安匝數(shù)(Ampere-Turns NI不會改變,因 為B

13、 并沒有相對的改變.因此開關(guān)管截止時,初級峰值電流與匝數(shù)的 乘 積 等 于 次 級 各 繞 組 匝 數(shù) 與 峰 值 電 流 乘 積 之 和 (Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*Is2p.由于多路輸出的次級電流波形是隨各組負(fù) 載電流的不同而不同, 因而次級電流的有效值也不同.然而次級負(fù)載 電流小的回路電流波形,在連續(xù)時接近梯形波,在不連續(xù)時接近三角波, 因此為了計算方便,可以先計算負(fù)載電流小的回路電流有效值. 1.首先假設(shè)+12V輸出回路次級線圈的電流波形為連續(xù),電流波形如 下(圖一:Is 2(+12v tTon toff Ton(圖六 (圖七1/2*Is 2p +Is 2b *toff/T

14、=I02(3Ls1*Is 2p Is 2b /toff=V02+Vf (4Ls2/Lp=(Ns2/Np2(5由(3(4(5式得:Is 2p =1/2*2*I02/1-D+V02+Vf*1-D*T*Np2/Ns22*Lp=0.5*2*1/1-0.418+12+1*1-0.418*10*362/72*250=5.72AIs 2b =I01/1-D-1/2*V01+Vf*1-D*Np2/Ns22*Lp=1/0.582-0.5*13*0.582*10*362/72*250=-2.28A 0因此假設(shè)不成立.則+12V輸出回路次級線圈的電流波形為不連續(xù), 電流波形如上(圖七.令+12V整流管導(dǎo)通時間為 t

15、.將 Is 2b =0代入(3(4(5式得:1/2*Is 2p *t/T=I02(6Ls 1*Is 2p /t=V02+Vf (7Ls 2/Lp=(Ns2/Np2(8由(6(7(8式得:Is 2p =(V02+Vf*2*I02*T*Np2/Lp*Ns221/2=2*1*12+1*10*362/72*250 1/2=5.24At=2*I02*T/ Is2p =2*1*10/5.24=3.817us2.+12V輸出回路次級線圈的有效值電流:Is 2(rms= t/(3T1/2*Is 2p=3.817/3*10 1/2*5.24=1.87A3.+5v輸出回路次級線圈的有效值電流計算:Is1rms=

16、Is2(rms*I01/I02=1.87*10/1=18.7A 12.變壓器初級線圈和次級線圈的線徑計算. 1.導(dǎo)線橫截面積: 前面已提到,取電流密度 j=5A/mm2 變壓器初級線圈:導(dǎo)線截面積= Ip(rms/j=1.3A/5A/mm2=0.26mm2 變壓器次級線圈: (+5V導(dǎo)線截面積= Is1(rms/j=18.7A/5A/mm2=3.74 mm2 (+12V導(dǎo)線截面積= Is2(rms/j=1.87A/5A/mm2=0.374mm2 2.線徑及根數(shù)的選取. 考慮導(dǎo)線的趨膚效應(yīng),因此導(dǎo)線的線徑建議不超過穿透厚度的 2 倍. 穿透厚度=66.1*k/(f1/2 k 為材質(zhì)常數(shù),Cu 在

17、 20時 k=1. =66.1/(100*1031/2=0.20 因此導(dǎo)線的線徑不要超過 0.40mm. 由于 EER2834S 骨架寬度為 22mm,除去 6.0mm 的擋墻寬度,僅剩下 16.0mm 的線包寬度.因此所選線徑必須滿足每層線圈剛好繞滿. 3.變壓器初級線圈線徑: 線圈根數(shù)=0.26*4/0.4*0.4*3.14=0.26/0.1256=2 取 0.40*2 根并繞 18 圈,分兩層串聯(lián)繞線. 4.變壓器次級線圈線徑: +5V: 線圈根數(shù)=3.74/0.1256=30 取 0.40*10 根并繞 3 圈, 分三層并聯(lián)繞線. 第 11 頁 共 12 頁 +12V: 線圈根數(shù)=0.374/0.1256=3 取 0.40*1 根并繞 7 圈, 分三層并聯(lián)繞線. 5.變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝. 為了減小變壓器的漏感,建議采取三文治繞法,而且采取該繞法的電源 EMI 性能比較好. 擋墻 3.0mm 1/2Np Ns1 Ns2 N