连续电流模式反激变压器的设计

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).

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:

Vdc=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).

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:
Lp=(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=85—265Vac;
2. .输出电压/负载电流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A;
3. .变压器的效率=0.90

2.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=4.5us
Toff=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*√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]=13.64

4.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+V_f)*I₀₁*120%=6*10*1.2=72W
+12V输出功率Pout2=(V₀₂+V_f)*I₀₂=13*1=13W
变压器次级输出总功率Pout=Pout1+Pout2=85W
如图四, 设Ip2=k*Ip1, 取k=0.4
1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/
Ip1=2*Pout/[(1+k)*Vin(min)*Dmax]
=2*85/[0.90*(1+0.4)*100*0.45]
=3.00A
Ip2=0.4*Ip1=1.20A

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]
=250uH

6.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=85W
Ko(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 Gs
j(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=0.854cm²
它的窗口面积Aw=148mm²=1.48cm²
EER2834S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*(Ip1-Ip2)/[Ae*Bm],得:
Np=250*(3.00-1.20)/[85.4*0.15] =35.12 取Np=36