反激式变压器设计

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1、 AN1024 _ 应用手册应用手册 应用 IRIS40xx 系列单片集成开关 IC 开关电源 应用 IRIS40xx 系列单片集成开关 IC 开关电源 的反激式变压器设计 的反激式变压器设计 索引： 1) 反激式变压器设计介绍 6)导线线规表 2) 电源设计所需的标准 7) 参考资料 3) 变压器设计步骤 8) 变压器元件来源 4) 变压器结构 5) 磁芯类型 1反激式变压器设计介绍 1反激式变压器设计介绍 反激式电源变换器设计的关键因素之一 是变压器的设计。在此我们所说的变 压器不是真正意义上的变压器，而更多的是一个能量存储装置。在变压器初级导通 期间能量存储在磁芯的气隙中，关断期间存储的

2、能量被传送给输出。初次级的电流 不是同时流动的。因此它更多的被认为是一个带有次级绕组的电感。 反激电路的主要优势是成本，简单和容易得到多路输出。反激式拓扑对于 100W 以内的系统是实用和廉价的。大于 100W 的系统由于着重降低装置的电压和电流， 其它诸如正激变换器方式就变得更有成效。 反激式变压器设计是一个反复的过程，因为与它的变量个数有关，但是它不 是很困难，稍有经验就可快速和容易的处理。在变压器设计之前的重点是定义电源 参数，诸如输入电压，输出功率，最小工作频率，最大占空比等。根据这些我们就 可以计算出变压器参数，选择合适的磁芯。如果计算参数没有落在设计范围内，重 复计算是必要的。利用

3、网站上的 EXCEL 电子表格可以容易的处理这些步骤。 AN1024 _ 属于 ISMPS IC 的 IR40xx 系列最初设计应用于准谐振方式，这意味变压器工 作于不连续模式（磁场不连续，当变压器中的能量传递到次边后磁场反回到零）。 在 PRC 模式中的变压器通常也工作于不连续状态，若工作于连续状态时工作频率设 置的很低（约 20KHZ 时一般不实用，因为需要较大尺寸的磁芯）。因此本应用手册 仅包含不连续设计的实例。 2电源设计所需的标准 2电源设计所需的标准 在开始变压器设计之前，根据电源的规范必须定义一些参数如下： 1最小工作频率min 2预计电源效率0.850.9(高压输出 )，0.7

4、50.85（低压输出） 3最小直流总线电压Vmin 如 110V 时最小输入电压 85Vac，可有 10V 抖动） 4最大占空比Dm（建议最大值为 0.5） 5）串联谐振电容值Cres建议取值范围为 100pf1.5nf，见图 1 3变压器设计步骤 3变压器设计步骤 首先计算总输出功率，它包括所有次级输出功率，辅助输出功率和输出二极 管的压降。通常主要输出电流若大于 1A 使用肖特基二极管，小于 1A 使用快恢复二 极管，当小电流输出时辅助绕组可用 1N4148 整流（建议辅助电压为 18V，电流为 30mA） BBnO IVDVBIOVDVOIOVDVOP+=)()()( 11111 L 输

5、出功率（Po）计算的是总的输出功率。 根据 Po 变压器的初级电感可由下式计算出。 () 2 minmin min 2 min 2 + = resm O m P CDfV fP DV L AN1024 _ 图 1 IR40xx 系列反激电路典型应用 下一步是计算初级，次级和辅助绕组的变比。下式给出初级(Np)和次级(Ns) 变比的计算公式： m m O SP D D VDV V NN + = 1 min 此处 Vo 是次级输出电压，VD 是次级输出整流管的正向压降。一个好的方法是 先计算次级每 DO B SB VV V NN + = 伏的匝数，依此可计算出初级的匝数。辅助绕组的匝数 NB 可依

6、下式算出。 对于多路输出电源需要反复计算找出最佳变比，需要对输出电压采取一些 折中以确保匝数为整数，没有半匝。 现在就可计算出带气隙磁芯的有效电感。这需要从磁芯生产商处获得所需有 气隙磁芯的 Alg 值 AN1024 _ 或者使用标准磁芯通过研磨中间段得到所需的 Alg 值它也可以用下式由初级电感 Lp(H)和初级匝数 Np 计算出。 2 1000 P P LG N L A= Nh/匝数 2 初级平均电流 Iav 可由假定效率，所需总输出功率 Po 及最小直流总线电 压 Vmin 算出。 min V P L O AV = 所需初级峰值电流 Ip 可由下式算出 M AVP D II 2 = 图

7、2 给出不连续模式初级电流波形。可以看出在 t1 导通期间 有一斜坡电 流，其上升斜率受直流总线电压和初级电感 Lp 控制，最终达到刚才所计算的峰值 电流值 Ip。在 t2 关断期间初级无电流流过。在 I=Ip 处出现峰值磁通。由于 IR40xx 是自准谐振电路，t1 与 t2 的转换依赖于输出负载和输入电压。计算时我 们可采用变压器最坏情况下的最低频率，最低直流总线电压和最大负载。 图 2 不连续反激电路初级电流波形 根据初级 RMS 电流 I rms 能够算出所需导线线径，见下式。 3 m Prms D II= 下一步是计算所需磁芯尺寸和气隙。首先选择磁芯尺寸，可以应用第五部分 给出的磁芯

8、类型和尺寸选择适当的功率等级。根据下式由有效截面积 Ae(cm)计算 AN1024 _ 出最大磁通密度 Bm，作为磁芯选择依据（Bm 应在 20003000 高斯之间，低于 2000 磁芯未被充分利用，高于 3000 依据所用铁氧体材料可能发生饱和）。 e LGPP m A AIN B = 10 一个可选方法是由 Bm（如 2500）计算所需磁芯的最小 Ae.见下式。 m LGPP e B AIN A = 10 通过改变次级匝数(Ns)可使 Bm 在所需范围内，也可直接改变初级匝数 (Np)。对于专门磁芯增加次级匝数将降低 Bm，反过来减少次级匝数将增大 Bm。 交流磁密 BAC 的应用可依据

9、厂商提供的磁芯损耗曲线。它给出磁通的交流成 分而不是峰峰值。这对不连续变压器设计可很方便由下式算出。 2 m AC B B= 下一步是计算所需气隙。这意味着先要计算无隙磁芯的相对导磁率 r，它可 由磁芯参数 Ae（有效截面积 cm），Le（有效磁路长度 cm），AL（电感系数 nH/ 匝）计算出。 104 . 0 = e eL r A LA 现在可以计算气隙的厚度了。气隙仅在磁芯的中间部分研磨，这样有助于防 止磁芯边沿磁通泄漏对周围元件产生 EMI 噪声（然而对于发展中或小的产品用绝缘 材料垫在磁芯外部获得所需气隙是可以接收的。但必须切记外部气隙是计算值的一 半）。Ig 最小是 0.051mm

10、，这是 Alg 的约束和研磨容许误差。Ig 计算公式如下： 10 100 4 . 0 2 = r e P eP g L L AN l 随着参数的计算和确定我们现在需要计算合适的导线规格。首先需要根据实 际骨架宽度(BW)计算可用骨架宽度（BWA）, 初级绕组（L）层数，余留宽度 （M）。初级可绕 1，2 层或 3 层但要尽量减少层数以降低初级绕组电容（也可用胶 带绝缘初级能有效的降低绕组电容）和漏电感。余留尺寸取决于由系统输入电压和 安全处理决定的所需绝缘程度（详见第 4 部分变压器结构）。另一可行办法是次级 AN1024 _ 绕组绝缘增大 3 倍就无需余留空间，这一方法通常应用于主要考虑变压

11、器尺寸的场 所，此发能减小变压器尺寸，但通常引起成本增加。 )2(MBWLBWA= 现在根据可利用的绕组宽度计算出初级导线规格，由初级匝数计算出包括 绝缘层在内的导线外（OD，mm）。计算的目的是为了让初级绕组覆盖整个骨架宽度 以产生最强的耦合。 P A N BW OD = 现在由第 5 部分的导线规格表（它是个好的开始）或者厂商提供的合适的导 线规格表可以选择与所计算 OD 值相匹配的导线规格。依此能得到导线的圆密尔值 （CM），进一步可以计算初级绕组电流容量（它是反推电流密度的基础）它被定义 为“圆密尔每安培”或 CMA。 rms P I CM CMA = 计算 的 CMAp 值应在 20

12、0500 之间 ，低于 200 的电流密度太高，它会导致 发热和功率损耗，高于 500 导线未被利用到额定电流容量值。如果计算的 CMAp 低 于 200 需重复计算，可以增加绕组层数或选择大一规格的磁芯。如果 CMAp 高于 500 就减少绕组层数或小一规格的磁芯进行重复计算。作为一个规范初级导线规格 应在 26AWG 之内。这是因为在高频时电流只在导线表面流动，大规格导线的中心没 有被利用，电流集中在导线表面，这样就减小了导线有效栽流截面。可以用多股导 线克服这以问题，例如多股标准 26AWG 导线可给出相同的有效 CMA。 现在我们需要计算辅助绕组导线规格和次级绕组导线规格（或多路输出电

13、源 的绕组）。利用下式能够计算出适当绕组的次级峰值电流。 O OX SX P PSPX P P N N II = 此处 Pox 是所计算的次级绕组的输出功率，Po 是先前计算的总输出功率。 这确保所计算的次级峰值电流和特定输出功率相匹配，这一点对多路输出电源很重 要，能保证次级导线规格不超标，这假定次级是单独绕组。一个可选的办法是叠加 AN1024 _ 次级绕组，通过合并输出返回连接端能够减少骨架所需引脚数。这两种次级绕组安 排见下图 3。 a) 分离的绕组 b) 叠加的绕组 图 3 次级绕组的两种不同安排 在图 3 所示例子中次级 S1 传导 S1，S2，S3 的和电流，次级 S2 传导 S

14、2， S3 的和电流，因此导线的规格必须于之相适应。Ispx 计算公式变为下式： O OX SX P PSPX P P N N II = 此处Pox 是各绕组功率之和，例如在图 3 b) 中 S1S2S3 为 S3 绕组， S1S2 为 S2 绕组。S3 仍旧传导它自己的电流，计算是简单的。现在次级 RMS 电流 (Isrms) 可以下式计算： 3 1 m SXPSxrms D II = 图 4 给出 IR40xx 漏极电压，初级电流，变压器次级电压和次级电流。据此 可以看出初、次级之间的关系，初、 次级电流是如何不在同一时间流动的。 现在根据所计算的次级 RMS 电流（Isxrms）得出所需次级导线的规格。公式如 下： SxrmsPSX ICMACM= AN1024 _