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反激變壓器設(shè)計過程的知識梳理及設(shè)計心得分享

發(fā)布時間:2015-03-12 責任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】電子電源中反激變壓器設(shè)計是很重要的,但是很多人并不是很整體的了解反激變壓器的設(shè)計流程,本篇文章小編就對反激變壓器的設(shè)計進行了較為詳細很有條理的的介紹,同時詳細給出了反激匝數(shù)比設(shè)計及雙路采樣設(shè)計的相關(guān)心得。
 
反激變壓器是在電子電源當中比較受歡迎的一種設(shè)計。很多新手都通過反激電源的制作來熟悉電源設(shè)計,目前網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于反激變壓器的學習資料五花八門且比較零散,本文就將對反激變壓器的設(shè)計進行從頭到尾的梳理,將零散的知識進行整合,并配上相應(yīng)的分析,幫助大家盡快掌握。
 
在本節(jié)當中,將介紹匝數(shù)比n、Dmax、UOR的設(shè)計技巧,其中包括選取原則和限制因素。
介紹匝數(shù)比n、Dmax、UOR的設(shè)計技巧
UOR、Dmax、n的設(shè)計方法
 
UOR的設(shè)置和輸出電壓有關(guān)
 
匝數(shù)比越大,漏感越大;高輸出電壓,匝數(shù)比較低,尖峰也會較??;
 
例如:5V輸出,匝數(shù)比可以分別取15、20、25(也就是UOR不同),不同的匝比實際獲得的漏感會大不相同,效率也會差別較大。
 
通用輸入,普通反激變換,600V的MOS管作限制:
 
3.3V輸出,UOR一般為60-75V,45V二極管;
 
5.0V輸出,UOR一般取70-80V,45~60V二極管;
 
12V輸出,UOR一般控制在80-120,100V二極管;
 
24V輸出,UOR一般可以取到100V以上,具體看漏感控制的效果;
 
上面是綜合考慮到各方面的因數(shù)后,折中的取值(經(jīng)驗值),根據(jù)使用的磁芯不同,參數(shù)會稍有變化。當然,5V輸出也有很多人取100V左右,這是根據(jù)控制芯片及產(chǎn)品要求等而定,主要取決于實際情況,這里沒有絕對答案。
 
UOR的設(shè)置和輸入電壓有關(guān),
 
原因很簡單,UOR決定了DMAX;
 
UOR(DMAX)計算的第一步,是確定輸入電壓,即如何準確確定HVDCmin。特別是CIN容量不足,或者是要求產(chǎn)品的工作溫度非常低時,需特別注意。很容易理解,如果最小直流電壓不準確的話,所有計算的結(jié)果幾乎沒有實際意義。
 
UOR的設(shè)置和磁芯漏感有關(guān)
 
匝數(shù)比越大,漏感越大,在低壓輸入及低成本設(shè)計時,需要非常小心。因為這兩種情況下,MOS可能不會擁有太大的電壓裕量可供調(diào)整。
 
低壓輸入時,要么是100VMOS,要么是200VMOS,一旦超出,很難彌補;低成本設(shè)計時,磁性元件(EE型磁芯)和半導(dǎo)體器件本來就爛,很難控制。
 
注:磁芯種類繁多,即使兩種類型的磁芯輸出功率可能一致,其表現(xiàn)出來的電氣性能差別很大,特別是氣隙和漏感的影響。不過采用合理的設(shè)計,可以在一定程度上削弱漏感尖峰電壓。采用特殊的工藝,可以降低(氣隙)邊緣磁通對繞組的影響。
 
UOR的設(shè)置跟磁芯的結(jié)構(gòu)也有關(guān)系
 
這一點在反激變換中尤其明顯。如果磁芯無法選擇(更改),盡可能確保初次級平鋪一層。否則可能無法獲得滿意的氣隙和漏感控制。磁芯種類繁多,并非所有種類的磁芯都適合所有規(guī)格輸出。例如:
 
采用EE型磁芯,中心柱太短,如果初次級平鋪一層,UOR可能不會太高;
 
采用EER型磁芯,中心柱太長,如果初次級平鋪一層,UOR可能不會太低;
 
但這不是絕對的,因為初次級的漆包線可以采用多股繞制來確保平鋪,不過有些情況即使采用多股線也無法滿足要求。
 
UOR的設(shè)置跟磁芯損耗有關(guān)
 
UOR越高,磁感應(yīng)強度越大,磁芯損耗會越大,在準諧振反激變壓器設(shè)計中需特別注意,否則磁芯損耗非常大,也比較容易飽和(但在普通的DCM、CCM變壓器設(shè)計中并不明顯)。
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UOR的設(shè)置跟MOS、次邊二極管、電解電容有關(guān)
 
應(yīng)該通過設(shè)置UOR及KRP來滿足半導(dǎo)體元件的有效電流、峰值電流、耐壓等,還有電解電容的紋波電流。因為設(shè)計常規(guī)的產(chǎn)品,功率半導(dǎo)體器件和輸出電容幾乎是“常量”。
 
UOR的設(shè)置和輸出電流有關(guān)
 
如果輸出電流很大,此時次級一般會控制在3-4T,顯然原邊也不會太高。否則過大的DMAX會給次級造成極大的電流應(yīng)力,此時也需要將KRP跟UOR緊密聯(lián)系起來。
 
UOR的確定跟氣隙有關(guān)
 
一般把氣隙控制在0.2-0.8mm(中心柱),以減小邊緣磁通損耗,此時也需要將KRP跟UOR緊密聯(lián)系起來。UOR也應(yīng)該跟擋墻的寬度有關(guān)(初次級隔離電壓),因為中心柱長度直接決定了單層NP的大?。↖RMS可以算出來)。這很難理解,牽扯的變量太多了,可以一步一步去仔細分析、計算。如果自己繞變壓器繞的比較多的話,應(yīng)該很容易明白。
 
原邊UOR的確定跟控制芯片有關(guān)
 
原因很簡單,UOR決定了DMAX;即區(qū)分電壓模式控制還是電流模式控制。
 
看了這么多,大家一定也有所感觸,其實UOR的取值是一個綜合的優(yōu)化過程,這部分的內(nèi)容就說到這里,下面額外講一些關(guān)于雙路采樣的小心得。
 
雙路采樣心得
雙路采樣心得
假設(shè)VO1=5V2A,VO2=12V0.5A,要求負載調(diào)整率盡可能的高;
 
一些建議:
 
負載調(diào)整率與NP無直接關(guān)系;盡可能采用長寬比高的磁芯,此類磁芯耦合較佳;NS較高調(diào)整率會相對較好(滿足單層平鋪的情況下,耦合良好的原因);盡可能減小漏感(采用較大的LP、較小的氣隙、初次級平鋪、采用三明治繞法等等);盡量采用CCM模式設(shè)計,因為CCM模式下,LS/LP比值相對更?。徽{(diào)整率與R1-6之間的比率密切相關(guān),建議每一路偏置電阻均采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方法實現(xiàn);調(diào)整率與D1、D2的VF密切相關(guān)(應(yīng)該也包括速度,如肖特基、快恢復(fù)之分);
 
下偏置電阻計算
 
已知VREF=2.5V,假設(shè)R5=3K,R6=NC,總的偏置電流為:
 
I=2.5V/3K=0.833mA
 
注:R6用于微調(diào)輸出電壓,改變R6,則VO1、VO2會同步上升或者下降。
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VO1上偏置電阻計算
 
已知VREF=2.5V,VO1=5V,總偏置電流等于0.833mA,則VO1的上偏置電流為:
 
0.833mA/2=0.417mA(反饋電流比例占50%)
 
Vo1的上偏置電阻為:
 
VO1-VREF/0.417mA=5V-2.5V/0.417mA=6K
 
設(shè)置R1=12K,R2=12K。
 
VO2上偏置電阻計算
 
已知VREF=2.5V,VO2=12V,總偏置電流等于0.833mA,則VO2的上偏置電流為:
 
0.833mA/2=0.417mA(反饋電流比例占50%)
 
Vo2的上偏置電阻為:
 
VO2-VREF/0.417mA=12V-2.5V/0.417mA=22.78K
 
設(shè)置R3=24K,R2=430-470K調(diào)整。
 
NS1匝數(shù)計算
 
已知VO1=5V,假設(shè)VF=0.5V,那么NS1兩端的電壓為5.5V;
 
假設(shè)NS1=5T,那么NS1每一匝的電壓為:
 
5.5V/5T=1.1V
 
簡易優(yōu)化分析
 
當NS1=4T時,1.375V/T;
 
當NS1=5T時,1.100V/T;
 
當NS1=6T時,0.917V/T;
 
當NS1=7T時,0.786V/T;
 
從上述計算我們可以得知,NS值越大,每一匝的電壓越低。這意味著V/T越低,電壓計算值會越精確。最終選擇NS1=7T,即變壓器每一匝的電壓為0.786V/T;
 
NS2匝數(shù)計算
 
已知VO2=12V,假設(shè)VF=0.5V,那么NS2兩端的電壓必須為:
 
12V+VF=12.5-12.8V之間
 
取NS2=16T,則0.786V*16T=12.576V,減去VF值,VO2=12V左右。
 
偏置電阻計算出來了,NS1、NS2的匝數(shù)也計算出來了。接下來要處理唯一不確定的因數(shù)-----------二極管的VF值。
 
需要注意的是,規(guī)格書提供的VF值,在此處往往并沒有太多的參考價值,建議還是用實驗的方法來選擇。在滿足電壓、電流應(yīng)力和封裝的條件下,需要盡可能的多準備一些不同類型、品牌的二極管。這會存在N種不同的組合,例如5V輸出,我們可以選45V、60V、100V的肖特基。12V輸出,可以選用100V的肖特基或者超快恢復(fù)二極管,必要時,200V的HER303都是有可能的。在變壓器設(shè)計良好的情況下,雙路的負載調(diào)整率應(yīng)該僅僅取決于二極管的VF值是否精確匹配。
 
千萬不要隨便改變采樣電阻比率,以達到合適的電壓精度,否則會越調(diào)越復(fù)雜。另外,變壓器的匝數(shù)比計算和繞制工藝也非常關(guān)鍵。關(guān)于疊加繞組、非50%比率采樣,建議查閱相關(guān)資料。
 
本篇文章對反激變壓器的匝數(shù)設(shè)計進行了較為詳細的介紹,并給出了雙路采樣的相關(guān)心得。在下一節(jié)當中,將為大家?guī)鞶R模式變壓器設(shè)計,也就是臨界模式的分析與計算。
 
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