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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:Continuing Current Model、Discontinuing Current Model、virtu
2、al 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,变压器的工作状态可能不
3、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导通时具等效电路如图二及在导通时初级电 流连续时的波形,磁化曲线如图二(b).T1D1VVdc图图二IpIp1BsTon二D*TBrEw图二(b)当Q1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Ip可以表示为：ip(
4、t)二ip(O) + 1/Lp* 0DT 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，其等效电路如图三及在截止时次级电流波形, 磁化曲线如图三(b).Ls IsIo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)二Vo+Vf (Vf为二极管D1的压降).次级线圈电流:is(t)二i
5、s(DT)-1/Ls* TVs(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) .变压器的效率尸0.902. 工作频率和最大占空比确定.取:工作频率fosc=100KH乙最大占空比Dmax=0.45.T=1/fosc=10us.Ton(max)
6、=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二n).最低输入电压 Vi n(mi n)=85*72-20=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 P
7、out1=(V01+Vf)*I01*120%=6*10*1.2 = 72W+ 12V 输出功率 Pout2=(V02+Vf)*I02 = 13*1 = 13W变压器次级输出总功率Pout二Pout+Pout2=85WIp如图四，设 Ip2二k*lp,取 k=0.41/2*(IP+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T二 Pout/IP=2*Pout/B(1+k)*Vin(min)*Dmax =2*85/0.90*(1+0.4)*100*0.45 =3.00AIp2=0.4*Ip1=1.20A（ 图四）5. 变压器初级电感量的计算.由式子 Vdc二Lp*dip/dt 得：Lp= Vin
8、(min)*Ton(max)/Ip1-Ip2= 100*4.5/3.00-1.20 =250uH6. 变压器铁芯的选择.根据式子 Aw*Ae二Pt*106/2*ko*kc*fosc*Bm*j*m,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=0.854
9、cm2CKsads1AWH148mm2H1.48cm2EER2834SAp HAe*AWH1.48*0.854H1.264cm4 V0.157CITI4EER2834S its-7.織耳跚兰劳同磐対山淀木冊*1) 田 NPHLP*(IplIP2)、e*BmLaNPH250*(3.001.20)、oo5.4615H35.12 牺 NPH36田 LPHUO*ur*NP2*Ae、-g、山淀-gHUO*uT-Ae*NP2、LP3.14*10 7*l*854mm2*362、(2500*103mH)H0.556mm-gH0.6mm2)咔+ 5V11晋圧、Ip X軀汁曜(IPHIP1H3.OOA)IBmax
10、.BmaxHLP*IP、e*NpjH250*3.0085.4 mm2*36H0.2440TH2440GS A3000GSHsmB-8Nsl(5vTNP、nH36、13.64H2.64 牺 NS1H3NS2(12vT(12 + lr NS1、(5+1)H6.5O 牺 NS2H736、3 H129.刪举质山H Dmax 昔 Dmirr1) 咔驾 (wisx與w舟 vin(minT100vdc 油7列13列田 vin(min)* DmaxH (vout+vf*(TDmax)*n、a DmaxH(vout+vf*nvout+vf*n+ vin(min= H6*126*12+100T0.4182) 咔驾
11、 軀硼谆 vin(maxT265*1.414H374.7vdc DminH(vout+vf*nvout+vf*n+ vin(max) H6*12.006*12.00+374.7T0.1610 Ip Ip(rms)l).ffl驾 (wisx與FRvin(min)昔山HXDmax 渝弃 w 斗WIP0?昔 KBgfflw)Ipllk+Ipl 购須驾圧的怫 Pout16*lo+13*1H73Wl、2*(Ipl+IP2)*vin(min)*Ton(max)/T H pou(1) KH1 丄vin(min)* TDn(max)、(Ipl*LP) (2) 田 iaIplll、2二 2*pout-*T、%v
12、in(min)*Ton(max)+ vin(min)* Ton(max)、LP)ho.5 二 2*73*10、p90*100*4.18+ 100*4.18、250.0)H2.78AKul100*4.182.78*250T0.40IPllk*IPll2.78640Hl.llA2)裆劳(w第血殍BIP(rms)丄Torv(3T)*(Ipl2+IP22+Ipl*IP2)13列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
13、(Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*Is2p).由于多路输出的次级电流波形是随各 组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*Is2p +Is2b*toff/T=I02Ls2*Is2pS2b/toff=V02+VfLs2/Lp=(Ns2/Np)2(3)(4)(5)由(3)(4)(5)式得:Is2p=1/2*2*I02/1-D+V02+Vf*1-D*T*Np2/Ns22*L
14、p=0.5*2*1/1-0.418+12+1*1-0.418*10*362/72*250=5.72AIs2b=I01/1-D-1/2*V01+Vf*1-D*Np2/Ns22*Lp=1/0.582-0.5*13*0.582*10*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+12 V整流管导通时间为t.将Is2b=0代入式得：1/2*Is2p*t/T=I02(6)Ls1*Is2p/t=V02+Vf(7)Ls2/Lp=(Ns2/Np)2(8)由(6)(7)(8)式得：Is2p=(V02+Vf)*2*I02*T*Np2/Lp*Ns221/2=2*1*12+1*10*362/72*250 1/2=5.24At = 2*I0
