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1、第 1 页 共 12 页连续电流模式反激变压器的设计Design of Flyback Transformer withContinuing Current Model作者：深圳市核达中远通电源技术有限公司 - 万必明摘要:本文首先介绍了反激变换器(Flyback Converter)的工作原理,然后重点介绍一种连续电流模式反激变压器的设计方法以及多路输出各次级电流有效值的计算.关键词: 连续电流模式(不完全能量传递方式)、不连续电流模式( 完全能量传递方式)、有效值、峰值.Keywords: Continuing Current Model、Discontinuing Current Mod
2、el、virtual value 、peak value.一. 序言反激式变换器以其电路结构简单,成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱, 它特别适合小功率电源以及各种电源适配器. 但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计,因为输入电压范围宽 ,特别是在低输入电压, 满负载条件下变压器会工作在连续电流模式(CCM),而在高输入电压, 轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式(DCM); 另外关于 CCM 模式反激变压器设计的论述文章极少 ,在大多数开关电源技术书籍的论述中, 反激变压器的设计均按完全能量传递方式 (DCM模式) 或临界模式来计算, 但这样的设计并未真实反映反激变压器的实际工作情况
3、,变压器的工作状态可能不是最佳. 因此结合本人的实际调试经验和心得,讲述一下不完全能量传递方式(CCM) 反激变压器的设第 2 页 共 12 页计.二.反激式变换器(Flyback Converter)的工作原理1).反激式变换器的电路结构如图一.2).当开关管 Q1 导通时,其等效电路如图二(a) 及在导通时初级电流连续时的波形,磁化曲线如图二 (b).T1 D1 V0VdcCi Np NsC0Q1图一Vdc Ip Lp IoNp Ns C0 图二(a)PWM 控制电路反馈控制电路第 3 页 共 12 页IpIp2Ip1 Bt BsTon=D*T BwBr 图二(b) H当 Q1 导通,T1
4、 之初级线圈渐渐地会有初级电流流过,能量就会储存在其中. 由于变压器初级与次级侧之线圈极性是相反的, 因此二极管D1 不会导通,输出功率则由 Co 来提供. 此时变压器相当于一个串联电感 Lp,初级线圈电流 Ip 可以表示为:ip(t)=ip(0)+1/Lp* 0DTVdc*dtVdc=Lp*dip/dt此时变压器磁芯之磁通密度会从剩磁 Br 增加到工作峰值 Bw.3.当 Q1 截止时 , 其等效电路如图三 (a)及在截止时次级电流波形,磁化曲线如图三(b).Vdc Ls Is IoNp Ns C0 Q1第 4 页 共 12 页图三(a)IsIs2Is1 B t Bs Ton Toff=(1-
5、D)*T Bw Br 图三(b) H当 Q1 截止时,变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为B并没有相对的改变.当 B向负的方向改变时 (即从 Bw 降低到 Br),在变压器所有线圈之电压极性将会反转,并使 D1 导通,也就是说储存在变压器中的能量会经 D1,传递到 Co 和负载上.此时次级线圈两端电压为:Vs(t)=Vo+Vf (Vf 为二极管 D1 的压降).次级线圈电流:is(t)=is(DT)-1/Ls* DTTVS(t)*dtLp=(Np/Ns)2*Ls (Ls 为次级线圈电感量)由于变压器能量没有完全转移,在下一次导通时 ,还有能量储存在变压器中, 次级电流
6、并没有降低到 0 值,因此称为连续电流模式或不完全能量传递模式(CCM).三.CCM 模式下反激变压器设计的步骤1. 确定电源规格.1).输入电压范围 Vin=85265Vac;第 5 页 共 12 页2).输出电压/负载电流:Vout 1=5V/10A,Vout2=12V/1A; 3).变压器的效率 =0.902. 工作频率和最大占空比确定.取:工作频率 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. 计算变压器初与次级匝数比 n(Np/Ns=n).最低输入电压 Vin
7、(min)=85*2-20=100Vdc(取低频纹波为 20V).根据伏特-秒平衡, 有: Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n.n= Vin(min)* Dmax/ (Vout+Vf)*(1-Dmax)n=100*0.45/(5+1.0)*0.55=13.644. 变压器初级峰值电流的计算.设+5V 输出电流的过流点为 120%;+5v 和+12v 整流二极管的正向压降均为 1.0V.+5V 输出功率 Pout1=(V01+Vf)*I01*120%=6*10*1.2=72W+12V 输出功率 Pout2=(V02+Vf)*I02=13*1=13W变压器次级
8、输出总功率 Pout=Pout1+Pout2=85W如图四, 设 Ip2=k*Ip1, 取 k=0.4 Ip1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/ Ip1Ip1=2*Pout/(1+k)*Vin(min)*Dmax Ip2=2*85/0.90*(1+0.4)*100*0.45 t=3.00A ton第 6 页 共 12 页Ip2=0.4*Ip1=1.20A ( 图四)5. 变压器初级电感量的计算.由式子 Vdc=Lp*dip/dt,得:Lp= Vin(min)*Ton(max)/Ip1-Ip2=100*4.5/3.00-1.20=250uH6.变压器铁
9、芯的选择.根据式子 Aw*Ae=Pt*106/2*ko*kc*fosc*Bm*j*,其中:Pt(变压器的标称输出功率)= Pout=85WKo(窗口的铜填充系数)=0.4 Kc(磁芯填充系数 )=1(对于铁氧体), 变压器磁通密度 Bm=1500 Gsj(电流密度): j=5A/mm 2;Aw*Ae=85*106/2*0.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90=0.157cm4考虑到绕线空间,选择窗口面积大的磁芯 ,查表 :EER2834S 铁氧体磁芯的有效截面积 Ae=0.854cm2它的窗口面积 Aw=148mm2=1.48cm2EER2834S 的功率容量乘积为Ap =Ae*
10、Aw=1.48*0.854=1.264cm4 0.157cm4故选择 EER2834S 铁氧体磁芯.7.变压器初级匝数及气隙长度的计算.第 7 页 共 12 页1).由 Np=Lp*(Ip1-Ip2)/Ae*Bm,得:Np=250*(3.00-1.20)/85.4*0.15 =35.12 取 Np=36由 Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:气隙长度 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). 当+5V 限流输出 ,Ip 为最大时(Ip=Ip1=3.00A),检查 Bm
11、ax.Bmax=Lp*Ip/Ae*Np=250*10-6*3.00/85.4 mm2*36=0.2440T=2440Gs 3000Gs因此变压器磁芯选择通过.8. 变压器次级匝数的计算.Ns1(5v)=Np/n=36/13.64=2.64 取 Ns1=3Ns2(12v)=(12+1)* Ns1/(5+1)=6.50 取 Ns2=7故初次级实际匝比:n=36/3=129.重新核算占空比 Dmax 和 Dmin.1).当输入电压为最低时: Vin(min)=100Vdc.由 Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n,得:Dmax=(Vout+Vf)*n/(Vout+
12、Vf)*n+ Vin(min)=6*12/6*12+100=0.4182).当输入电压为最高时: Vin(max)=265*1.414=374.7Vdc.Dmin=(Vout+Vf)*n/(Vout+Vf)*n+ Vin(max)第 8 页 共 12 页=6*12.00/6*12.00+374.7=0.1610. 重新核算变压器初级电流的峰值 Ip 和有效值 Ip(rms).1).在输入电压为最低 Vin(min)和占空比为 Dmax 条件下, 计算 Ip值和 K 值.(如图五)设 Ip2=k*Ip1.实际输出功率 Pout=6*10+13*1=73W1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min
13、)*Ton(max)/T= Pout/ (1) K=1-Vin(min)* Ton(max)/(Ip1*Lp) (2) 由(1)(2)得:Ip1=1/2*2*Pout*T/* Vin(min)*Ton(max)+ Vin(min)* Ton(max)/Lp =0.5*2*73*10/0.90*100*4.18+100*4.18/250.0=2.78A K=1-100*4.18/2.78*250=0.40Ip2=k*Ip1=2.78*0.40=1.11A2).初级电流有效值 Ip(rms)=Ton/(3T)*(Ip12+Ip22+Ip1*Ip2)1/2=0.418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11) 1/2=1.30AIp 2.78A Ip1 Ip2(1.11A) t 第 9 页 共 12 页ton (图五) 11. 次级线圈的峰值电流和有效值电流计算:当开关管截止时, 变压器之安匝数 (Ampere-Turns NI)不会改变, 因为B 并没有相对的改变. 因此开关管截止时 ,初级峰值电流与匝数的乘积等于次级各绕组匝数与峰值电流乘积之和(Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*I
