連續(xù)電流模式反激變壓器的設(shè)計(jì)-萬(wàn)必明

1、連續(xù)電流模式反激變壓器的設(shè)計(jì) 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(wàn)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(diǎn)介紹一種連續(xù)電流模式反激變壓器的設(shè)計(jì)方法以及多路輸出各 次級(jí)電流有效值的計(jì)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(jiǎn)單,成本低廉而深受廣大開(kāi)發(fā)工程 師的喜愛(ài),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(jì)難點(diǎn)是變壓器的設(shè)計(jì),因?yàn)檩斎腚妷悍秶鷮?特別是在低輸 入電壓,滿(mǎn)負(fù)載條件下變壓器會(huì)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(huì)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(jì)的論述文章極少,在大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源技 術(shù)書(shū)籍的論述中, 反激變壓器的設(shè)計(jì)均按完全能量傳遞方式(DCM模 式或臨界模式來(lái)計(jì)算,但這樣的設(shè)計(jì)并未真實(shí)反映反激變壓器的實(shí)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(shí)際調(diào)試 經(jīng)驗(yàn)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(jì).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(kāi)關(guān)管 Q1導(dǎo)通時(shí),其等效電路如圖二(a及在導(dǎo)通時(shí)初級(jí)電流 連續(xù)時(shí)的波形,磁化曲線(xiàn)如圖二(b. 圖一 圖二(a 當(dāng) Q1存在其中.由于變壓器初級(jí)與次級(jí)側(cè)之線(xiàn)圈極性是相反的,因此二極管 D1不會(huì)導(dǎo)通,輸出功率則由 Co 來(lái)提供.此時(shí)變壓器相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)電 感 Lp,初級(jí)線(xiàn)圈電流 Ip 可以表示為:ip(t=ip(0+1/Lp* 0DT Vdc*dtVdc=Lp*dip/dt此時(shí)變壓器磁芯之磁通密度會(huì)從剩磁

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

5、能量沒(méi)有完全轉(zhuǎn)移,在下一次導(dǎo)通時(shí),還有能量?jī)?chǔ)存在變 壓器中,次級(jí)電流并沒(méi)有降低到 0值,因此稱(chēng)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(jì)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(jì)算變壓器初與次級(jí)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-Dmax4. 變壓器初級(jí)峰值電流的計(jì)算.設(shè)+5V輸出電流的過(guò)流點(diǎn)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=13W變壓器次級(jí)輸出總功率 Pout=Pout1+Pout

7、2=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=3.00AIp 2=0.4*Ip1=1.20A ( 圖四5. 變壓器初級(jí)電感量的計(jì)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*106/2*ko*kc*fosc*Bm*j*,其中: Pt(變壓器的標(biāo)稱(chēng)輸出功率= Pout=85WKo(窗口的銅填

8、充系數(shù)=0.4Kc(磁芯填充系數(shù)=1(對(duì)于鐵氧體,變壓器磁通密度 Bm=1500 Gsj(電流密度: j=5A/mm2;考慮到繞線(xiàn)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7.變壓器初級(jí)匝數(shù)及氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算.1.由 Np=Lp*(Ip1-Ip 2/Ae*Bm,得:氣隙長(zhǎng)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

9、為最大時(shí)(Ip=Ip1=3.00A,檢查 Bmax. Bmax=Lp*Ip/Ae*Np=250*10-6*3.00/85.4 mm2*36=0.2440T=2440Gs <3000Gs因此變壓器磁芯選擇通過(guò).8. 變壓器次級(jí)匝數(shù)的計(jì)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(jí)實(shí)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(shí): Vin(min=100Vdc.由 Vin(min* Dmax= (Vout+Vf*(1-Dmax*n,得:Dm

10、ax=(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(shí): Vin(max=265*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(jí)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(jì)算 Ip 值和 K 值.(如圖五設(shè) Ip 2=k*Ip1.實(shí)際輸出功率 Pout'=6*10+13*1=73W1/2*(Ip1+Ip2*Vin

11、(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/* Vin(min*Ton(max+Vin(min* Ton(max/Lp=2.78AK=1-100*4.18/2.78*250=0.40 Ip 2(1.11At11. 次級(jí)線(xiàn)圈的峰值電流和有效值電流計(jì)算:當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí), 變壓器之安匝數(shù)(Ampere-Turns NI不會(huì)改變,因 為B 并沒(méi)有相對(duì)的改變.因此開(kāi)關(guān)管截止時(shí),初級(jí)峰值電流與匝數(shù)的 乘 積 等 于 次 級(jí) 各 繞 組 匝 數(shù) 與 峰 值 電 流 乘 積

12、之 和 (Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*Is2p.由于多路輸出的次級(jí)電流波形是隨各組負(fù) 載電流的不同而不同, 因而次級(jí)電流的有效值也不同.然而次級(jí)負(fù)載 電流小的回路電流波形,在連續(xù)時(shí)接近梯形波,在不連續(xù)時(shí)接近三角波, 因此為了計(jì)算方便,可以先計(jì)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(jí)線(xiàn)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=I02(3Ls1*Is 2p Is 2b /toff=V02+Vf (4Ls2/Lp=(Ns2/Np2(5由(3(4(5式得:Is

13、 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=-2.28A <0因此假設(shè)不成立.則+12V輸出回路次級(jí)線(xiàn)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(shí)間為 t.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 2

14、p =(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(jí)線(xiàn)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(jí)線(xiàn)圈的有效值電流計(jì)算:+12V: 線(xiàn)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(xiàn). 5.變壓器繞線(xiàn)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 Ns1 Ns2 Ns1 Ns2 0.4*1*18 1/2Np 屏蔽層 0.4*1*18 Ns1:0