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1、连续电流模式反激变压器的设计Design of Flyback Transformer with Continuing 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: ContinuingCurrent Model 、Discontinuing Current Model、virt
2、ual 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).图二 (a)IpIp1Ton=D*TBsBw图二(b)当QI导通,T1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
4、Ip 可以表示为:ip(t)=ip(0)+1/Lp*Vdc*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,图三(a)磁化曲线如图三(b).当Q1截止时，变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变，因为AB 并没有相对的改变.当AB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).T次级线圈电流
5、：is(t)=is(DT)-1/Ls# V S(t)*dtDTLp=(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;2) .输出电压/负载电流:Vout=5V/10A,Vout2=12V/1A;3).变压器的效率号=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=0.45T=1/f
6、osc=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(min)=85*p2-20=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.+
7、5V 输出功率 Pout =(V +V)*I *120%=6*10*1.2=72W1 01 f 01+ 12V 输出功率 POUt2=(V02+Vf)*I02=13*1 = 13W变压器次级输出总功率 Pout=Pout+Pout=85W如图四, 设 Ip=k*Ip, 取 k=0.4211/2*(Ip +Ip )*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/gIp =2*Pout/g (1+k)*Vin(min)*Dmax =2*85/0.90*(1+0.4)*100*0.45 =3.00AIp=0.4*Ip=1.20A215. 变压器初级电感量的计算.由式子 Vdc=Lp*dip/d
8、t,得：Lp= Vin（min）*Ton（max）/Ip-Ip12=100*4.5/3.00-1.20=250uH6. 变压器铁芯的选择.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）=0.4Kc（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/mm2;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.
9、854cm2它的窗口面积 Aw=148mm2=1.48cm2EER2834S的功率容量乘积为Ap =Ae*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.1）.由 Np=Lp*（Ip-Ip ）/Ae*Bm,得：12Np=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=0.6mm
10、2) .当+5V限流输出，Ip为最大时(Ip=Ipl=3.00A),检查Bmax.Bmax=Lp*Ip/Ae*Np=250*l0-6*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)
11、*(1-Dmax)*n,得：Dmax=(Vout+Vf)*n/(Vout+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)=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 Ip=k*Ip.实际输出功率 Pout=6*10+13*l=73W21
12、1/2*(Ip+Ip )*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/g (1)K=1-Vin(min)* Ton(max)/(Ip*Lp)(2)1由(1)(2)得:Ip=1/2*2*Pout*T/g* Vin(min)*Ton(max)+Vin(min)* Ton(max)/Lp=0.5*2*73*10/0.90*100*4.18+100*4.18/250.0=2.78AK=1-100*4.18/2.78*250=0.40Ip=k*Ip=2.78*0.40=1.11A212).初级电流有效值 Ip(rms) = Ton/(3T)*(IpL+Ip22+Ip1*Ip2)1/21/2=0.
13、418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11)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AB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=Ns*Isp+Ns*Isp). 由于多路输出的次级电流波形是随各组1 1 2 2负载电流的不同而不同, 因而次级电流的有效值也不同.然而次级负 载电流小的回路电流波形,在连续时接近梯形波,在不连续时接近三 角波, 因此为了计算方便, 可以先计算负载电流小的回路
14、电流有效值.1).首先假设+12V输出回路次级线圈的电流波形为连续，电流波形1/2*Is +Is *toff/T=I (3)2p2b 02Ls1*Is Is /toff=V +Vf(4)2p2b 02Ls2/Lp=(Ns2/Np)2(5)由(3)(4)(5)式得:Is=1/2*2*I /1-D+V +Vf*1-D*T*Np2/Ns2*Lp 2p 02 02 2=0.5*2*1/1-0.418+12+1*1-0.418*10*362/72*250=5.72AIs =I /1-D-1/2*V +Vf*1-D*Np2/Ns 2*Lp 2b 01 01 2=1/0.582-0.5*13*0.582*1
15、0*362/72*250=-2.28A 0因此假设不成立.则+12V输出回路次级线圈的电流波形为不连续电流波形如上(图七).令+12V整流管导通时间为t.将 Is=0 代入 (3)(4)(5)式得 :2b1/2*Is *t /T=I2p02(6)Ls*Is /t=V +Vf(7)12 p02Ls/Lp=(Ns/Np)222(8)由(6)(7)(8)式得:Is =(V +Vf)*2*I *T*Np2/Lp*Ns 21/2 2p 02 02 2= 2 * 1 * 1 2 + 1 * 1 0*362/72* 2 50 1/2=5.24At =2*I *T/ Is=2*1*10/5.24=3.817us 02 2p2) .+12V 输出回路次级线圈的有效值电流:Is (rms)=
