单端正激变换器

 

2、电路原理

　　其变压器T1起隔离和变压的作用，在输出端要加一个电感器Lo（续流电感）起能量的储存及传递作用，变压器初级需有复位绕组Nr（此点上我对一些参考书籍存疑，当然有是最好，实际应用中考虑到变压器脚位的问题）。在实际使用中，我也发现此绕组也用RCD吸收电路取代亦可，如果芯片的辅助电源用反激供给则也可削去调整管的部分峰值电压（相当一部份复位绕组）。输出回路需有一个整流二极管D1和一个续流二极管D2。由于其变压器使用无气隙的磁芯，故其铜损较小，变压器温升较低。并且其输出的纹波电压较小。

3、变压器计算

　　一般来说高频变压器的设计可划分为以下六个步骤：
　　a、选择磁芯材料和磁芯结构形式。
    b、确定工作频率，工作最大磁感应强度Bm。
    c、计算并初选磁芯型号。
    d、计算并调整原、副边匝数。
    e、计算并确定导线线径。
    f、校核窗口面积和最大磁感应强度Bm。

现就这六个步骤来讨论单端正激式变压器的设计：

   ★ 选择磁芯材料和磁芯结构形式

　　高频变压器磁性材料选择的标准为高初始磁导率μi、低矫顽力Hc、高饱和磁感应强度Bs、低剩磁Br、高电阻率ρ和高居里温度点。磁导率高，变压器工作时励磁电流就小；矫顽力低则磁滞损耗比较小；高饱和磁感应，低剩磁，变压器工作时磁通变化范围

　　磁芯结构形式的选择一是考虑能量传递，二是考虑几何尺寸的限制，三是考虑磁芯截面积和窗口面积的比例，多路输出变压器一般要求有较大的窗口面积，选择EE型、EI型或PQ型磁芯，可具有较大的窗口和良好的散热性，DC/DC模块电源可选用FEY型、FEE型、EUI型等，铃流变压器要求磁芯截面积比较大，可选用GU形磁芯；此外还应考虑变压器的安装，加工方便性，成本等，目前中、大功率通常选用GU形磁芯，这种磁芯特点是有较大的截面积，漏磁很小，采用国产材料，成本低，但出线需手焊。

　　★ 确定工作频率，最大磁感应强度Bm

　　考虑高温时饱和磁感应强度Bs会下降，同时为降低高频工作时磁芯损耗，工作最大磁感应在一般选择为2000～2500Gs，工作频率的选择可在设计变压器时进行反推，或先确定再进行调整，AC/DC工作频率一般选择在60KHz～150KHz之间；DC/DC工作频率可选择为100KHz～400KHz之间。

　　★ 计算并初选磁芯型号

　　磁芯结构确定基础上，其型号选择可采用面积乘积法：

　　对于正激式变压器：

　　Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae)

DB可以较大，相应减小了变压器体积；高电阻率，高频工作时涡流损耗比较小；高居里温度点，变压器工作温度可以相应提高，但以上各项要求不可能同时得到满足，不同的磁性材料存在其长处也必然存在不足，需视具体应用条件加以选择。一次电源工作频率一般选择在60KHz～150KHz之间，二次电源产品工作频率一般选择在100KHz～400KHz之间，在这个频率范围，宜选用Mn-Zn铁氧体材料，目前二次电源常用的铁氧体材料包括TDK的PC30－PC40，Magnetics的P材料，PHILIP的3F3及899厂的R2KB2等。

　　(Ae：磁芯截面积，Vin：输入电压，Ton：导通时间，DB＝Bm－Br，Np为变压器原边匝数)。h，导通时间Ton和工作磁感应变化范围DB等参数可求出Ae和Q乘积，作为初选磁芯型号的依据，如果对磁芯选择比较有经验也可越过该步骤，直接进入下一步。

　　Q=(I1×Np)/(Ku×j×2)

　　(Q为窗口面积，I1、Np对应初级绕组电流和匝数，Ku为窗口系数，即铜线截面积之和与窗口面积比值。一般Q可取0.3～0.35，j为导线电流密度可取8～15A/m²，上式中假定原边绕组占整个绕组截面积的1/2)

　　Ae×Q=Po/(2×h×Ku×j×ΔB)

　　根据输出功率P₀，预测效率

　　★ 计算并调整原副边匝数

　　a、计算原边匝数：　　Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae)

　　b、计算副边匝数：　　N2=(Vo+Vd+Io×R)/(D×Vin)

　　　(V₀为输出电压，V_D为输出整流二极管压降，Io×R为线路压降，Vin为直流输入电压,D为占空比)

　　c、副边电流有效值：I2=Io×sqr(D)

　　d、原边电流有效值：I1＝（I2×N2/Np）×(1+5%) (取励磁电流为原边电流5％)

　　　根据电流有效值和导线选择经验，同时考虑高频工作时导线的集肤效应，当电流较大时，采用多股并绕，每股线径不得大于2倍穿透深度，漆包线的线径和股数可适当调整，使线包每一层能正好绕满，若计算出的原、副边匝数非整数，可选择匝数较小的一方取整，再根据匝比推算其他绕组匝数。

　　★ 校核窗口和最大磁感应

　　　根据公式 Ku=Ae/Q 校核窗口，窗口系数Ku约为0.3～0.35。

　　　如果在计算副边取整过程中调整了匝数，应由公式Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae)校核最大磁感应，最大磁感应在3000Gs以内，如果有条件，最好试绕一个变压器，进行实验,然后根据最低输入电压和最大载时的开关波形来进行反推（这种方法最有效，当然也最危险，毕竟你还未完全调试出来时可能会炸机的噢！最好有一块可记忆的示波器和一个同事在旁！你以为做什么？呵呵~~当然是即时地给你送到医院啦！！）。

4、输出电感设计

　　输出滤波电感设计的基本要求是满足电感量，保证流过最大电流时磁芯不会饱和，窗口要绕得下。单端正激式电路输出电感设计可分为以下几个步骤。
　　a、确定电感量并初选磁芯型号。
　　b、确定电感峰值电流。
　　c、确定线圈匝数和气隙。
　　d、确定导线线径。
　　e、校核窗口和最大磁感应。

　　★ 确定电感量并初选磁芯型号

　　首先通过电路设计确定输出滤波电感值，滤波电感值取大一些可减小初、次级电流峰值，减小输出纹波噪声，但电感量的增加受到电感体积、尺寸的限制，同时电感过大会造成系统时间常数大，给控制带来问题，电流上升斜率太小，采用电流控制型方案时还容易出现次谐波振荡问题，因此电感量值的选取应综合考虑以上因素。选定电感值后，根据电感最大贮能值0.5×L×I×I，依据经验或磁芯厂家提供的速查图表，初选一磁芯型号代入以后步骤进行计算。

　　★ 确定电感峰值电流

　　Imax=Io+2×Vo×Toff/L(Toff为关断时间)

　　★ 确定线圈匝数和气隙

　　由于电感电流中存在较大的直流分量，当选用铁氧体磁芯时，一定要加入气隙，可在实际调试中去调整气隙的大小；也可考虑使用FeSiAl材料或P.P.M材料的磁环（呵呵~~　可别以为我出馊主意噢！效果会好多了，不过会使电源更值钱些罢了！！！）。

　　一般输出滤波电感最大磁感应强度可取为3000Gs左右，选定Bm后联解以上两式可求出匝数N和气隙长度d。

　　匝数N应进行取整，当匝数少电流大时，应尽量避免取半匝的情况。

　　★ 计算并确定导线线径

　　确定匝数后，根据电流有效值选取导线线径，电流较大时，仍需采用多股并绕，但由于电感电流中交流成份比较小，集肤效应不明显，必要时可选用较粗的导线绕制。

　　★ 校核窗口和最大磁感应

　　电感设计完成后，可在实验中进一步调整气隙，以达到最佳的电感量和工作磁通。