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1、中国科技信息 2 O O 年第4 期 C H I N A S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N F e b2 0 , O 。 。 ll 单端反激式开关电源高频变压器设计 王明炎 上海 大屯能源股份有限公 司发 电厂 随着 电子技术的发展 ，对电源小型化的要求越来越高。霞关电源以 体积小、重量轻、 用材 少、效率高等特点逐步成 为屯子工程师首 选对象；而单端反激式开荧电源在小功率开关电源中结构最为简 单，且 易于实现 多电压输出。本文详细叙述 单端反激式开关电源 中高频 变压 器 的设 计原 理 ，并给 出具体
2、 设 计示 倒 焚键 灌l 00 00 0 l l- 0 0 lIl 0 - 0ll l0 ll | 高频 变压 器 ；开 关 电源 ；单 端 反 激 式 电压上升；而当开关管导通，反激过程结束，电容向负载提供 电流，电容电压下降。控市 lJ 开关管 Q的占空比，即可以稳定输 出赢流 电压 。 2、变压 器原边 _T作 电流 T ( a ) q 导通 丁 ( b J Q 截 止 图 1单端反激式开关电源变压器两种工作状态 图 ( a)所示，设变压器原边绕组电感为 I ，直流高电 压电源电压为u。 ，当开关管 Q导通时，由于副边二极管 D2反 向截止 ，故有 ： 一、单端反 激式 开关 电源变压
3、器的工作原理 U ， = 一 + 。 + R 1、概 述 j = + 、 +i ( 1 ), R 开关 电源 即利用 自关断器件 ，通过变换技术而制成的高频开 毫 誓 喜 誓 霎 薹 羹 譬 爵 式 中 ： e -一原 边 绕 组 感 应 电 动 势 ， = 一 三 d Id t ； 的 低 电 压 直 流 电 源 装 置 。 高 频 变 压 器 的 设 计 是 设 计 开 关 电 源 的 关 一 一 “ 训 力 一 键 。 i 原边绕 组 电流 ； 单端反激式开关电源是指变压器只有一个原边绕组，且电流f u c 丌关管导通压降。 方向不改变，利用原边电流关断时 ，副边产生的反激电压向负 图中
4、R为短路电流检测电阻，由于开关管Q导通压降U 及 载输 出电流 。 正常工作情况下的过流检测电压 i 均7 E 4,( l V) ，故忽略i R 众所周知， 当变压器副边开路时， 原边相当于一储能电感 。如 及 U c ， ( 1)式 变 为 ： 图1( a ) 所示，开关管Q导通， 原边绕组接通育流高电压电源，副 U = = ， r I d ,- 骛 喜 喜 蒿 盂 电 等 截 一原 线 鐾i 则 开 关 d管ri 导 通 期 间 ， 二 个 脉 宽 的 原 边 电 流 可 以 表 示 为 ： 增 加 ， 开 关 管 导 通 时 间 越 长 ，电 流 1 越 大， 变 压 器储 能 越 人；
5、 当 川 _ 坦删 圳 水 见 州 棘 J 以 衣 ， J 为： 开关管Q关断， 如图1( b ) ， 原边电流i 迅速回o ，副边反激电压 i = i 十 ( ， 一 f ) e 。 使整流_极管导通，变压器向负载输出电流 ，变压器船能一 F r + + +、 晤 器 辈 出 薯 嚣 通 时 ， 黼 龇 渤 ； 压 器 处 于 反 激 状 态 时，副 边 绕 组 向 电 容 及 负 载 提 供 电 流 ， 电 容 i l _ 暑 雯 ： 1 2 4 l l 麓圈 一 m 蛰l 囊 鞭 黧攀 麟 0 一 可 见外关管 Q导通时 ，变压器原边电流随时 间线性增大 ，当 变压器原边电流初始值 i
6、。 0 时，称为电流连续模式，否则为电 流断续模式。当开关管 Q关断瞬间，原边 电流达到峰值： 。 i l , l +CL 一 ) = + T oy = ， +U， I， D ( 4) 式 中 ：i 开关管 关断瞬 间原边 电流 ； T 开关 管 导 通时 间 ，即咏宽 ； D 原边 电流脉 冲占空比 ； f 开关 管开关频 率。 对于小功率反激式开关 电源 ， 采用 电流连续模式 ， 可以减小原 边电流峰值及有效值， 降f g Ot： 关管的功耗。 虽然电流连续模式需要 较大的原边电感 ， 即高频 变压器体积较大 ， 但是对多电压输 出的开 关电源， 适当增大高频变压器的体积， 有助于多个次
7、级引脚的分布 及输 出整流滤波 电路在 P C B板 J 的布局 ，所以对于小功率 、多电 压输 出的开关 电源 ，多采用 电流 连续式的单 端反激开 关 电源 。 1 1 t P 2 2t P 3t P I 3 t P ： t a ) 初 级绕组 电流 ) 坟 圾 绕 组 电流 图2连续模式理想电流波形图 图 2所示 为电流连续模式 原 、副 边 电流理 想波形 图。 3 、开关电源输出功率 由 ( 3 )式可以计 算H j 变压器 上 均输入功率 ： 、 = ， + ( ) 1 = U i D ( i + i ) 设开关电源效率 为 n，则开关 电源的输 出功率为 ： = 7 、 = r
8、U D ( + i )( 5) 当电源电压最低、 输 H 功率最人时， 原边电流占卒比有最火值 I ) ，开关管关断瞬间，原边电流有最大值。通常设此时原边 电流峰f A为初始值 的 3 ，即 ：I 一3 I ，则丌荚 电源 的额 定输 H 功 率衷 示 为 ： = l，7 D 、 ( ， + ， ) ： l， 7 D 、 ， ! ( 式 中：U 商流输 入电源 电压最小值 ； l 2 5 I 。 电源 电压最 低 原边 电流 初始 值 ； l 一一 电源 电压 最低 原边电流峰值 ； 输 出功率 最大 ，开关 管导通 时 ， 输出功率最大，开关管导通时， D 一 最大占空比。 4 、原边 电流
9、最大值 当电源电压最低、输出功率最大时 ，变压器原边电流有最 大值 ，由 ( 6 )式可 得 ： 3 I p 2 ： D ( 7) 5 、变压器原边电感 由 ( 4)可得所需要的原边电感最小为： i ：u f D _厂 - ( i P ： i H ) 或： ， J = 2 ( 8 ) ， 7 、 。 6 、原边绕组 匝数 设当原边绕组电流有最大值 I 时 ，磁芯中有最大磁通量为 则原边绕 组 的电 感可 以表示 为 ： 上 = = ( 9 ) I I 、 j 式 中 ：A 磁芯截 面积 ； N 原边绕组 匝数 ； B 一磁芯最大磁感应强度。 其 中：痧 =B f 。 由 ( 8 ) 、 ( 9
10、 )式 ，得 到 原边 绕 组 的 匝 数 为 ： ) 由上式可见，直流电源电压越高、开关管开关频率越小， 所需要 的原边绕组匝数越多 ；增大磁芯截面积或增大磁芯的磁 通 密 度 ，可以 减小 初级线 圈的匝 数 。 7 、各剐边绕组的匝数 在不考虑漏磁通的情况下 ，各绕组的感应 电动势可以表示 为： e ：一 N e 、 ： 一 N “ 审 一 c h d f ，：一 d | 或 ： e 1： ： P ： = N1： ： N ： (1 1) 开关电源 是通过检测主输出绕组电压， 控制开关管开关占 空比， 从而稳定主输出绕组及各副边绕组的输出电压。各绕组的 反激电压与主输出绕组的反激电压的比为
11、各绕组与主输出绕组的 匝数比。 开关电源变压器副边绕组的匝数， 应保证开关管在反激 时所承受的反压小于开关管的耐压，同时还要验证开关管导通 时，副边 激电压小丁整流： 二 极管所能承受的反向电压。即： “ ，1) ， 、 “ 、 + ( ， + ， ， ) + I H 2 U f t U B V 一 潼 得到主输出绕组的匝数为 NF ( 1 2U U 、 v一| 一 式中：V 一开关管耐压 ； VR R M 一 整流二假管额定反压； U， 、 一 主输 出直 流电压 ； U 一 主输出整流管压降； U 悄 直流 电源 电压 最大值 ； uf l 开关管电压裕量 ； 一 副边整流二极管电压裕量。
12、 其他 各副边 绕组 的匝数 为 ： uU!, 。o+uU，p ( 1 3 ) 式 中：N 一 第 n个 副边绕组 的匝数 ； u 一第 !o 1 个副边绕组的输出电压。 8 、变压器磁芯选择 由干开关管在关断瞬间，磁芯中的磁通量不会突变，故有： N 2 i 2 P t +N I + = N i P l 同理 ，反 激 结束 瞬 即瞬 间有 ： N P 2 N3 i p 2 + = NI i P 式 中 ：N 主输 出绕组 匝数 ； N 一 第二 副边 匝数 ； i 主输出绕组反激开始瞬间电流； i 第二副边绕组 豆 激玎始瞬间电流。 ! 主输出绕组反激结束瞬间电流； i ! 一第一副边绕组反
13、激结束瞬间电流。 可以旺明，当占卒比为0 5 时 ，在忽略磁芯损耗的情况下， 以有效 值表征 的原边绕组的 安匝数等 于各副 边绕组安 匝数之和 ， 即： v I =N ， ! + ， ( 1 4) 式中 ：I 一 一 原边 电流有效值 ； I ， I 一 _ 各副边绕组 电流有效值 。 一 丌 C 图3占空E 匕 为 1 2 时原边电流理想波形图 实际上 ，各绕组中除了直流分量外，还含有丰富的交流分 量。图3 是电源电压最低，负载最大，占空比DM A X z 0 5 ， i。 2= =3 i 时的原边电流理想波形，闰中设 t 0 ，即第一个脉冲开始时 刻为 0 ，则第 一 个周期原边电流表示
14、为： I ， )， go t ， (0 ， 刀 ) ( 1 5 ) 将原 边 电流傅立 叶 腱开 ： 1 26 C H 【 N 久 s C I c E A N D T E C H N O L O G Y I N F O R MA T I O N F e b2 0 1 0 l l 0 誓 _ 1 = + ， = 胁 = + ) co S = c 阳+ 删 恬 + ( + y o s cot )3 tt； 0 H 2 Io 3 ： I ：一 ， ：1 ， 3 j “ 一 ： = n = + c o t) sin n (ot姗 = 删 幽 H M 棚 (_ c ( 一 + = ， 7 = l ， 3 詈 + 6 = 一 + 删+ s )t s ， 砉 J) c os 等 喜 器 7 6 ! 2 8 ，- l ： ， 一一 昧边绕组 、 匀 f u 流，J r l D= I J I 嵌 器 、刖 友 效总 _f l j 为： N lj If = 2 N I j I = 、 5 2 N I ( 1 7 ) 当各级绕组电流密度取相同值时，则所需要的窗口面积为： 4 ，：| 52 Nl p一2(1 8) 。 f f ， l ： K 筒1 l 干 1 J 系数 暇j权 0
