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1、高频 FLYBACK 变压器(偶合电感器)最佳之设计庄荣源飞瑞股份有限公司一. 前言:由于市场日益竞争,如何将产品的价格降低,体积缩小,质量提高变成现今大家所共同努力的目标.而在 Switch Power Supply 的领域里,变压器是非常重要的一部份,而 Flyback 变压器更在其中占了举足轻重的地位.如何将变压器最佳化, 就显得额外的重要.我们可以从很多 SPS 书籍中获得 Flyback 变压器的设计方法,虽然不尽相同, 却是大同小异.就一个设计者的角度来说,设计一个 Flyback 变压器并不难,只要将设计的参数订定, 依照书上所写的设计步骤,一个变压器就诞生了, 在这变压器诞生的
2、同时,你难道不会怀疑,这变压器是否为最佳的变压器呢?因为在这设计的参数里还隐藏了不确定的因子.例如 Flyback 变压器初级测电感值参数的订定 ,你如何能确定你刚开始设计所选定的感值对这颗变压器是最佳感值呢?本文将针对设计参数做进一步的探讨,以达到变压器的最佳化.二. 变压器设计:在实际设计变压器时,有两个原则是必须注意到的:(1) 温升:这是设计变压器最主要的项目和目的,安规里有规定变压器的最高温升,变压器的温升需在安规的限制范围内.例如: class A 的绝对温度不能超过 90C ; class B 不能超过 110C 等等, 这都是我们设计必须遵循的准则. (2) 经济:想在这市场上
3、与人竞争,经济考虑是不可或缺的,尤其是变压器往往是机器 COST 中的主要部分之一,所以如何将变压器的价格,体积,质量掌握到最佳,就是我们所努力的方向.1.设计步骤:要将变压器最佳化,需将不同的参数重复代入计算,如果利用 Excel 的方程式或利用程序语言将公式写下来,这样将变得很简单,只要改变参数就可得到结果.(1).参数的订定 :在设计变压器之前,需先预定一些参数,很多书籍上这些参数都不同,不同的设计参数,设计流程亦不同,现在针对 Flyback 变压器最常用的设计参数:输入电压:Vin,输入的频率:fs,最大 Duty cycle : Dmax,初级与次级圈数比: N,初级电感值: Lp
4、,输出电压:Vo,输出最大:Wo.线圈的电流密度:J, 最大磁通密度: Bmax, 最大绕线因子 :Kw(2)由这些设计参数算出: Duty on (初级测导通的比例) Duty off (次级测导通的比例) 初级交流电流值 (Ipp) 初级电流 Peak 值(I p(peak) 初级电流 RMS 值 (Irms) 初级线圈的线径 (p) 次级电流 Peak 值(I p(peak) 次级电流 RMS 值 (Irms) 初级线圈的线径 (s) 有效磁路面积与铁心可绕面积的乘积(Ac*Aw)在由 Aw*Ac 选择适当的铁心.设计参数里有些是定死的,例如:Vin,fs(IC 操作频率), Dmax(
5、IC max duty cycle),Vo ,Wo.有些是依经验所定的,例如:电流密度:J(classA 自然散热 500 A/ , class B 700 A/ ); 最大2cm2cm磁通密度 Bmax (100C 饱和磁通密度的 80% ); 最大绕线因子 Kw(若将漆包线的绝缘厚度算入与减掉安规间距, EE 与 EI core 0.4).有些是可变的,也是最不确定设计参数,例如: 初级与次级圈数比 N,初级电感值 Lp; N 的决定条件为:即使再最低压时,亦能提供稳定的输出电压和能量.因 N 直接影响到 Duty cycle 的大小,N 愈大,Duty on 愈大, Ip(rms)愈小,
6、铜损愈小, Aw*Ac 愈小所以 IC 的 Duty max 就是选定 N 的限制,可以从下式订定 N 值.ofnLOWinspDVN)(.至于感值 Lp 的选定直接影响 core 的大小和操作的模式(CCM or DCM) ,也是我们所要探讨的目标.2. 设计理论:在刚开始不知道系统操作于何种模式下时,分别对CCM 与 DCM 不同操作模式下做理论推导.(1) 操作于 CCM 模式时由 sonponi NDV)1(将初级与次级圈数比 代入sp ; (I)oinoVonf1由 ,将 代入 TILVpisonfDT (II)sponifDI若不考虑效率问题,则 sppeakpeakpo fIII
7、LP)(21 2)2)将(II) 代入 (III)2)( ponipeak IDVPI)(32)( baonrmsp; ( )(peakIpIb由磁通连续定则 )()( peakspeakINI ()(peakpeaksNI)(322)( sssofrms bD; (VI)(peakssIppeaksINIb)()2)(Jrmspp()(Irmss由 wswpwANAK:初级导线面积 ; :次级导线面积ps若不将安规间距与漆包线的绝缘厚度考虑进去,则 ()JINJIAKrmssrmspw )()(由 (gauss)8)(max10cpeaksILB (cm) 乘以 IX8)(maxNIApek
8、sc )1()( rmsrmspweksc INIJBKILax(X)若将安规间距与漆包线的绝缘厚度考虑进去(如此的做法比较不会因考虑集肤效应采用多股线而产生误差)在不考虑温度效应下,集肤深度 (cm) f61.选择半径小于集肤深度的线径. 则 11wswpsafetyww ANAK)(:初级导线总面积 ; :次级导线总面积1wpA1wsA: 安规间距(margin tape) 所占的面积)(safety )A()( ws1p)( NBKILAwpeakssafetywc mx(2) 操作于 DCM 模式下 speakpo fILP2)(21 (i) spopeakfPI)(由 ,将 代入 T
9、ILVpin)(peakI (ii)inpeakoD)(由法拉第定律 sofpoNDV (iii)Voniof(iv)(peaknrmspIDI3)( (v)(ekeaksN)(vi)(peaksofrmsII3)(之后则同 CCM (vii)将以上公式用 Excel 的方程式或利用程序语言将公式写下来,将设计参数代入后,用 DCM 算出其Duty on 与 Duty off ,若,则操作于 DCM1ofnD,则操作于 Boundary ,则操作于 CCMf以此作为分隔 CCM 与 DCM.若只改变 Lp 的值,其余预定参数固定,将得到一Lp 与 AcAw 的关系如下.感值愈大,所需的变压器愈
10、大.3. 变压器 core 的选择:在选择 core 之前 ,有几点是必须注意与了解的 :i. core loss 的温度特性: 依据机器所规定的周温,当 core 的温度上升时 ,我们希望其 core loss 是随着温度而下降,如此才比较不会有热跑脱的现象发生.ii. 当铜损=铁损 时,效率最高.iii. 变压器的大小直接影响到系统的操作模式,所以必须清楚 DCM 与 CCM 的优缺点,才能选择到最适合需求的 core.iv. 符合最经济的原则:也就是说 10 元能符合规格与需求决不多花 1 毛钱.v. 选择的 core 愈大,效率不一定愈高,但散热面积愈大,温升会愈低.若了解以上几点后,
11、依据需求选定变压器的 core. 例如:若在乎的是散热问题,可选择大一点的 core和 core loss 较小的 core(如: MPP core ); 若在乎的是体积和价格,可以选择较小与市场上价格较低的core(如: PC30 , PC40 ,MZ4 ,EE ,EI core )若 core 的大小不知如何选择,建议先选择符合 2 倍 Boundary 感值计算出来 Ac*Aw 的 core.4. 变压器最佳化:当你选定 core 之后,可得知其 Ac*Aw 的值.在小于Ac*Aw 的原则下变动预设参数感值 Lp 与电流密度,也就是等于改变铜损与铁损之间的关系.可以得到 Lp 与 Los
12、s 之间的关系图如下.当 PCu(铜损)=PFe(铁损) 时 ,Total Loss 接近最低值.此感值正是最佳的选择.Core Loss (铁损)与材料特性有关,制造商会提供单位铁损的相关数据,有的是对照图,有的是以下的公式: NMFefBKP)(B: 磁通密度变化量, 810fADVcponi;M 和 N 依材质不同而异.Core Loss = PFe * VeVe : Core 的体积Couple Loss(铜损) 与操作频率和使用线径有关 ,各种线径的线材都会提供单位长度的直流电阻值,但除了线径中的标准值流电阻外,还存在着由于交流电流集肤效应所产生的绕线电阻增量. dcadcrmsCu
13、 RIP2 )20(039.1)()( TCTRdcdc为了减少集肤效应所带来的损失,可以使用多股线,但多股线的线径并非愈小愈好,太多的导线,层数太多,邻近效应所造成的损失会增大,甚至大过用多股线所降低的损失.由下列公式可得知. dcRacF:因邻近磁场切割所造成的增量其 P, X ,FR 关系如下图,其中wdNdx0.86P : Number of layerN : Number of turns d : Wire diameter: Skin depth W : Layer width当算出 Total Loss = core loss + couple loss 可以先藉由以下公式,算出
14、慨略的温升, 以判定是否符合安规的标准.当温升过高时 ,表示选的 core 太小,散热面积不够;若温升很低, 表示可以再将 core 缩小以达到最经济之原则.( 实际的温升会比此公式算出的温升高) sLosTtalAPT80wcsA34As :散热表面积 2m一切都决定后,就剩下绕线的方法. 若要降低漏感,最好是用三明治绕法,而且绕线密度要平均. 若要防止EMI 则可加入法拉第铜环.(它可降低一,二次测的杂散电容值,让 Common mode noise 与 Differential mode noise 不易经由变压器的杂散电容传导出去),此方法会降低绕线因素 Kw,因此在一开始就得决定加不
15、加法拉第铜环.三. 实例设计:1. 参数的订定:有一输出 Po = 20W ,Vo = 12V 的直流转换器,输入电压范围为 18 60Vdc , fs = 100KHz , 需符合安规class B , J = 6.5 A/ ,一二测无须安规间距,不加2m法拉第铜环, Kw =0.3, Bmax =2500 G, Dmax = 0.48由 Vin =18V ,Dmax =0.48 N 选定为 1.3Boundary 感值为 19.4 uH Lp 选定为 40 uH2. 理论计算:由设计理论可以算出下列的值:Duty on (初级测导通的比例) =0.464Duty off (次级测导通的比例) =0.536初级交流电流值 (I pp) = 2.321A初级电流 Peak 值(I p(peak) = 3.554 A初级电流 RMS 值 (Irms) = 1.693 A
