一款I(lǐng)C開關(guān)電源的反激式變壓器設(shè)計方案

時間：2018-06-18 10:50:01

關(guān)鍵字：變壓器開關(guān)電源電源技術(shù)解析設(shè)計方案

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[導(dǎo)讀]導(dǎo)讀：本文介紹的是一款用于單片集成開關(guān)IC開關(guān)電源的反激式變壓器的設(shè)計方案。1〕反激式變壓器設(shè)計介紹反激式電源變換器設(shè)計的關(guān)鍵因素之一是變壓器的設(shè)計。在此我們所說的

導(dǎo)讀：本文介紹的是一款用于單片集成開關(guān)IC開關(guān)電源的反激式變壓器的設(shè)計方案。

1〕反激式變壓器設(shè)計介紹

反激式電源變換器設(shè)計的關(guān)鍵因素之一是變壓器的設(shè)計。在此我們所說的變壓器不是真正意義上的變壓器，而更多的是一個能量存儲裝置。在變壓器初級導(dǎo)通期間能量存儲在磁芯的氣隙中，關(guān)斷期間存儲的能量被傳送給輸出。初次級的電流不是同時流動的。因此它更多的被認(rèn)為是一個帶有次級繞組的電感。

反激電路的主要優(yōu)勢是成本，簡單和容易得到多路輸出。反激式拓?fù)鋵τ?00W以內(nèi)的系統(tǒng)是實用和廉價的。大于100W的系統(tǒng)由于著重降低裝置的電壓和電流，其它諸如正激變換器方式就變得更有成效。

反激式變壓器設(shè)計是一個反復(fù)的過程，因為與它的變量個數(shù)有關(guān)，但是它不是很困難，稍有經(jīng)驗就可快速和容易的處理。在變壓器設(shè)計之前的重點是定義電源參數(shù)，諸如輸入電壓，輸出功率，最小工作頻率，最大占空比等。根據(jù)這些我們就可以計算出變壓器參數(shù)，選擇合適的磁芯。如果計算參數(shù)沒有落在設(shè)計范圍內(nèi)，重復(fù)計算是必要的。利用網(wǎng)站上的EXCEL電子表格可以容易的處理這些步驟。

屬于ISMPS IC的IR40xx系列最初設(shè)計應(yīng)用于準(zhǔn)諧振方式，這意味變壓器工作于不連續(xù)模式（磁場不連續(xù)，當(dāng)變壓器中的能量傳遞到次邊后磁場反回到零）。在PRC模式中的變壓器通常也工作于不連續(xù)狀態(tài)，若工作于連續(xù)狀態(tài)時工作頻率設(shè)置的很低（約20KHz時一般不實用，因為需要較大尺寸的磁芯）。因此本應(yīng)用手冊僅包含不連續(xù)設(shè)計的實例。

2〕電源設(shè)計所需的標(biāo)準(zhǔn)

在開始變壓器設(shè)計之前，根據(jù)電源的規(guī)范必須定義一些參數(shù)如下：

1〕最小工作頻率-FMin

2〕預(yù)計電源效率-η≈0.85~0.9（高壓輸出），0.75~0.85（低壓輸出）

3〕最小直流總線電壓-Vmin如110V時最小輸入電壓85Vac,可有10V抖動）

4〕最大占空比-Dm（建議最大值為0.5）

5）串聯(lián)諧振電容值-Cres〔建議取值范圍為100pf~1.5nf,見圖1〕

3〕變壓器設(shè)計步驟

首先計算總輸出功率，它包括所有次級輸出功率，輔助輸出功率和輸出二極管的壓降。通常主要輸出電流若大于1A使用肖特基二極管，小于1A使用快恢復(fù)二極管，當(dāng)小電流輸出時輔助繞組可用1N4148整流（建議輔助電壓為18V,電流為30mA）

輸出功率（Po）計算的是總的輸出功率。

根據(jù)Po變壓器的初級電感可由下式計算出。

圖1 IR40xx系列反激電路典型應(yīng)用

下一步是計算初級，次級和輔助繞組的變比。下式給出初級（Np）和次級（Ns）變比的計算公式：

此處Vo是次級輸出電壓，VD是次級輸出整流管的正向壓降。一個好的方法是先計算次級每

伏的匝數(shù)，依此可計算出初級的匝數(shù)。輔助繞組的匝數(shù)NB可依下式算出。

對于多路輸出電源需要反復(fù)計算找出最佳變比，需要對輸出電壓采取一些折中以確保匝數(shù)為整數(shù)，沒有半匝。

現(xiàn)在就可計算出帶氣隙磁芯的有效電感。這需要從磁芯生產(chǎn)商處獲得所需有氣隙磁芯的Alg值

或者使用標(biāo)準(zhǔn)磁芯通過研磨中間段得到所需的Alg值它也可以用下式由初級電感Lp（μH）和初級匝數(shù)Np計算出。

初級平均電流Iav可由假定效率η，所需總輸出功率Po及最小直流總線電壓Vmin算出。

所需初級峰值電流Ip可由下式算出

圖2給出不連續(xù)模式初級電流波形?？梢钥闯鲈趖1導(dǎo)通期間有一斜坡電流，其上升斜率受直流總線電壓和初級電感Lp控制，最終達(dá)到剛才所計算的峰值電流值Ip.在t2關(guān)斷期間初級無電流流過。在I=Ip處出現(xiàn)峰值磁通。由于IR40xx是自準(zhǔn)諧振電路，t1與t2的轉(zhuǎn)換依賴于輸出負(fù)載和輸入電壓。計算時我們可采用變壓器最壞情況下的最低頻率，最低直流總線電壓和最大負(fù)載。

圖2不連續(xù)反激電路初級電流波形

根據(jù)初級RMS電流I rms能夠算出所需導(dǎo)線線徑，見下式：

下一步是計算所需磁芯尺寸和氣隙。首先選擇磁芯尺寸，可以應(yīng)用第五部分給出的磁芯類型和尺寸選擇適當(dāng)?shù)墓β实燃?。根?jù)下式由有效截面積Ae（cm2）計算出最大磁通密度Bm,作為磁芯選擇依據(jù)（Bm應(yīng)在2000~3000高斯之間，低于2000磁芯未被充分利用，高于3000依據(jù)所用鐵氧體材料可能發(fā)生飽和）。

一個可選方法是由Bm（如2500）計算所需磁芯的最小Ae.見下式

通過改變次級匝數(shù)（Ns）可使Bm在所需范圍內(nèi)，也可直接改變初級匝數(shù)（Np）。對于專門磁芯增加次級匝數(shù)將降低Bm,反過來減少次級匝數(shù)將增大Bm.

交流磁密BAC的應(yīng)用可依據(jù)廠商提供的磁芯損耗曲線。它給出磁通的交流成分而不是峰峰值。這對不連續(xù)變壓器設(shè)計可很方便由下式算出

下一步是計算所需氣隙。這意味著先要計算無隙磁芯的相對導(dǎo)磁率μr,它可由磁芯參數(shù)Ae（有效截面積cm2），Le（有效磁路長度cm2），AL（電感系數(shù)nH/匝2）計算出

現(xiàn)在可以計算氣隙的厚度了。氣隙僅在磁芯的中間部分研磨，這樣有助于防止磁芯邊沿磁通泄漏對周圍元件產(chǎn)生EMI噪聲（然而對于發(fā)展中或小的產(chǎn)品用絕緣材料墊在磁芯外部獲得所需氣隙是可以接收的。但必須切記外部氣隙是計算值的一半）。Ig最小是0.051mm,這是Alg的約束和研磨容許誤差。Ig計算公式如下：

隨著參數(shù)的計算和確定我們現(xiàn)在需要計算合適的導(dǎo)線規(guī)格。首先需要根據(jù)實際骨架寬度（BW）計算可用骨架寬度（BWA），初級繞組（L）層數(shù)，余留寬度（M）。初級可繞1,2層或3層但要盡量減少層數(shù)以降低初級繞組電容（也可用膠帶絕緣初級能有效的降低繞組電容）和漏電感。余留尺寸取決于由系統(tǒng)輸入電壓和安全處理決定的所需絕緣程度（詳見第4部分變壓器結(jié)構(gòu)）。另一可行辦法是次級

繞組絕緣增大3倍就無需余留空間，這一方法通常應(yīng)用于主要考慮變壓器尺寸的場所，此發(fā)能減小變壓器尺寸，但通常引起成本增加

現(xiàn)在根據(jù)可利用的繞組寬度計算出初級導(dǎo)線規(guī)格，由初級匝數(shù)計算出包括絕緣層在內(nèi)的導(dǎo)線外（OD,mm）。計算的目的是為了讓初級繞組覆蓋整個骨架寬度以產(chǎn)生最強(qiáng)的耦合

現(xiàn)在由第5部分的導(dǎo)線規(guī)格表（它是個好的開始）或者廠商提供的合適的導(dǎo)線規(guī)格表可以選擇與所計算OD值相匹配的導(dǎo)線規(guī)格。依此能得到導(dǎo)線的圓密爾值（CM），進(jìn)一步可以計算初級繞組電流容量（它是反推電流密度的基礎(chǔ)）它被定義為“圓密爾每安培”或CMA

計算的CMAp值應(yīng)在200~500之間，低于200的電流密度太高，它會導(dǎo)致發(fā)熱和功率損耗，高于500導(dǎo)線未被利用到額定電流容量值。如果計算的CMAp低于200需重復(fù)計算，可以增加繞組層數(shù)或選擇大一規(guī)格的磁芯。

如果CMAp高于500就減少繞組層數(shù)或小一規(guī)格的磁芯進(jìn)行重復(fù)計算。作為一個規(guī)范初級導(dǎo)線規(guī)格應(yīng)在26AWG之內(nèi)。這是因為在高頻時電流只在導(dǎo)線表面流動，大規(guī)格導(dǎo)線的中心沒有被利用，電流集中在導(dǎo)線表面，這樣就減小了導(dǎo)線有效栽流截面?？梢杂枚喙蓪?dǎo)線克服這以問題，例如多股標(biāo)準(zhǔn)26AWG導(dǎo)線可給出相同的有效CMA.

現(xiàn)在我們需要計算輔助繞組導(dǎo)線規(guī)格和次級繞組導(dǎo)線規(guī)格（或多路輸出電源的繞組）。利用下式能夠計算出適當(dāng)繞組的次級峰值電流

此處Pox是所計算的次級繞組的輸出功率，Po是先前計算的總輸出功率。這確保所計算的次級峰值電流和特定輸出功率相匹配，這一點對多路輸出電源很重要，能保證次級導(dǎo)線規(guī)格不超標(biāo)，這假定次級是單獨繞組。一個可選的辦法是疊加

次級繞組，通過合并輸出返回連接端能夠減少骨架所需引腳數(shù)。這兩種次級繞組安排見下圖3.

圖3 次級繞組的兩種不同安排

在圖3所示例子中次級S1傳導(dǎo)S1,S2,S3的和電流，次級S2傳導(dǎo)S2,S3的和電流，因此導(dǎo)線的規(guī)格必須于之相適應(yīng)。Ispx計算公式變?yōu)橄率剑?/P>

此處ΣPox是各繞組功率之和，例如在圖3 b）中S1+S2+S3為S3繞組，S1+S2為S2繞組。S3仍舊傳導(dǎo)它自己的電流，計算是簡單的?，F(xiàn)在次級RMS電流（Isrms）可以下式計算：

圖4給出IR40xx漏極電壓，初級電流，變壓器次級電壓和次級電流。據(jù)此可以看出初、次級之間的關(guān)系，初、次級電流是如何不在同一時間流動的。

現(xiàn)在根據(jù)所計算的次級RMS電流（Isxrms）得出所需次級導(dǎo)線的規(guī)格。公式如下：

注意此處計算的初級所用CMA（電流容量）要確保與初級和次級的電流容量相匹配。由所計算的CM值從導(dǎo)線規(guī)格表中選擇合適的導(dǎo)線。

若可能的話總是在相鄰低點的AWG號（它是相鄰較大導(dǎo)線規(guī)格）附近取值。次級導(dǎo)線規(guī)格大于26AWG時建議不使用單根導(dǎo)線，其原因在前面關(guān)于初級導(dǎo)線規(guī)格時已提及到，所以繞組就需要用小規(guī)格的導(dǎo)線或者絞合線（它通常是多股導(dǎo)線編織而成這種導(dǎo)線一般是定做，價格昂貴，但它使用效果好）并聯(lián)使用。

當(dāng)使用并聯(lián)導(dǎo)線時應(yīng)確信全部CM值在前面計算值的10%之內(nèi)。同法可計算出輔助繞組所需的導(dǎo)線規(guī)格。

圖4一個12V/2A的電源在90Vac輸入帶1.5A負(fù)載時

IR40xx的漏極電壓（CH1-00/div）、初級電流

（CH3）、次級電壓（CH2-20V/div）和次級電流（CH4）

為了初、次級間有最強(qiáng)的耦合，次級繞組應(yīng)充滿整個骨架寬度。由于次級繞組通常只有很少的匝數(shù)，所以能通過繞組并聯(lián)達(dá)到此目的。

變壓器制造商在制作變壓器時需要以下參數(shù)：

-磁芯和骨架序列號（及所需氣隙AL值〔ALG〕）

-每一繞組的導(dǎo)線規(guī)格和絕緣類型

-安全和漏電要求

-初級電感

-每一繞組（Np、Nb、Ns）匝數(shù)

-骨架引腳連接關(guān)系

-繞組結(jié)構(gòu)和放置

4）變壓器結(jié)構(gòu)

對于反激變壓器的結(jié)構(gòu)有兩種主要的設(shè)計方法，它們是：

1〕邊沿空隙法（Margin Wound）-方法是在骨架邊沿留有空余以提供所

需的漏電和安全要求。

2〕3層絕緣法（Triple Insulated）-次級繞組的導(dǎo)線被做成3層絕緣

以便任意兩層結(jié)合都滿足電氣強(qiáng)度要求。

安全要求、漏電和電氣強(qiáng)度要求以適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)列出，例如對于ITE,在美國包含于UL1950中，在歐洲包含于EN60950（IEC950）。5-6mm的漏電距離通常就足夠了，因此在邊沿的應(yīng)用中初、次級間通常留有2.5-3mm的空間。圖5給出邊沿空隙法結(jié)構(gòu)和3層絕緣法結(jié)構(gòu)。邊沿空隙法結(jié)構(gòu)是最常用的類型。邊沿空隙法結(jié)構(gòu)由于材料成本低具有很高的性價比。3倍絕緣法結(jié)構(gòu)變壓器體積可以做的很小，因為繞組可以利用骨架的全部寬度，邊沿不需要留空隙，但是材料成本和繞組成本比較高。

圖5 a）給出邊沿空隙法結(jié)構(gòu)，此例中邊沿空間由被切割成所想要邊沿寬度的帶子實現(xiàn)，這種帶子通常需要1/2爬電距離（如6mm爬電距離時為3mm）。邊沿帶子繞的層數(shù)與繞組高度相匹配。磁芯的選擇應(yīng)是可利用的繞組寬度至少是所需爬電距離的2倍以維持良好的耦合和使漏感減到最小。初級繞組是骨架中的第一個繞組，繞組的起始端（和初級緊密相連）是和IR40xx的漏極引腳相連的末端。這就使通過其它繞組使最大電壓擺動點得到保護(hù)。進(jìn)而使能耦合到印制板上其它元件的EMI最小。

如果初級繞組多于一層，在兩繞組層之間應(yīng)放置一個基本的絕緣層（切割成充滿兩邊余留之間寬度），可以減小兩層之間可能出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象，也能減小兩層之間的電容。另一絕緣層放在初級繞組的上面，輔助繞組在此絕緣層之上。在輔助繞組上放置3層膠帶（切割成充滿整個骨架寬度）以滿足初、次級之間的絕緣要求。

在此層之上放置另一邊沿空隙，次級繞在它們之間，所以在初、次級之間就有6mm的有效爬電距離和完全電壓絕緣。最后在次級繞組上纏3層膠帶（整個骨架寬度）以緊固次級繞組和保證絕緣。

圖5邊沿空隙法和3層絕緣法類型的變壓器結(jié)構(gòu)

圖5 b）給出3層絕緣法結(jié)構(gòu)?？梢钥闯龀跫壋錆M整個骨架寬度，和輔助繞組之間僅有一層膠帶，在輔助繞組上纏一層膠帶以防止損壞次級繞組導(dǎo)線的3倍絕緣層。次級繞組纏在其上，最后纏一單層膠帶進(jìn)行保護(hù)。注意繞線和焊接時絕緣不被損壞。

4.1）變壓器材料

鐵芯

有許多廠家的鐵芯可被用作反激變壓器。下面的材料適合使用：

TDK-PC40或PC44材質(zhì)

飛利蒲-3C85、3C90或3F3

西門子-N27或N67

有許多形狀的磁芯可用但反激變壓器一般用E形磁芯，原因是它成本低、易使用。其它類型磁芯如EF、EFD、ETD、EER和EI應(yīng)用在有高度等特殊要求的場合。RM、。toroid和罐形磁芯由于安全絕緣要求的原因不適合使用。低外形設(shè)計時EFD較好，大功率設(shè)計時ETD較好，多路輸出設(shè)計時EER較好。

骨架

對骨架的主要要求是確保滿足安全爬電距離，初、次級穿過磁芯的引腳距離要求以及初、次級繞組面積距離的要求。骨架要用能承受焊接溫度的材料制作。

絕緣膠帶

聚酯和聚酯薄膜是用作絕緣膠帶最常用的形式，它能定做成所需的基本絕緣寬度或初、次級全絕緣寬度（例如3M#1296或1P801）。邊沿膠帶通常較厚少數(shù)幾層就能達(dá)到要求，它通常是聚酯膠帶如3M#44或1H860.

勵磁導(dǎo)線

勵磁導(dǎo)線的護(hù)套首選尼龍/聚亞安酯，它在和熔化的焊料接觸時阻燃，這樣就允許變壓器浸泡在焊料鍋中。不建議使用標(biāo)準(zhǔn)的瓷釉導(dǎo)線，由于在焊接前要剝?nèi)ソ^緣層。

3層絕緣導(dǎo)線

在3層絕緣結(jié)構(gòu)中次級繞組導(dǎo)線使用3層絕緣導(dǎo)線，和勵磁導(dǎo)線相似主導(dǎo)線是單芯，但是它有不同3個絕緣層，即使三層中任意兩層接觸都滿足絕緣要求。

護(hù)套

邊沿空隙結(jié)構(gòu)變壓器繞組的首、尾端需要護(hù)套。護(hù)套必須經(jīng)相關(guān)安全機(jī)構(gòu)認(rèn)證至少有0.41mm壁厚以滿足絕緣要求，由于熱阻要求通常使用熱縮管，要確保在焊接溫度時不被熔化。

浸漆

通常使用浸漆鎖定繞組和磁芯間的空間，可以防止噪聲和濕汽進(jìn)入變壓器。它有助于提高耐壓能力和熱傳導(dǎo)性能。然而這是一個很幔的步驟。

4.2）繞線方式

C型繞線

這是最常用的繞線方式。圖6）示出有2層初級繞組的C型繞線。C型繞線容易實現(xiàn)且成本低，但是導(dǎo)致初級繞組間電容增加?？梢钥闯龀跫墢墓羌艿囊贿吚@到另一邊再繞回到起始邊，這是一個簡單的繞線方法。

Z型繞線

圖7）示出有2層初級繞組的Z型繞線方式?？梢钥闯鲞@種方法比C型繞線復(fù)雜、制造價格較貴，但是減小了繞組間的電容。

4.3）繞組順序

初級繞組一般繞在最里層這樣能使每匝長度最小，并能減小初級電容。如前面討論的把初級繞組放在最里層的方式可以使它受到其它繞組的保護(hù)，減小耦合到印制板上其它元件的噪音。通過使繞組的始端（初級最里層的末端）成為和IR40xx的漏極相連的末端也可以減小耦合噪音，該連接點（具有最大電壓波動）也受到其它繞組的保護(hù)。在初級繞組兩層之間纏一層膠帶對初級繞組的電容（作為四個要素中之一盡可能減小它）有很大影響。

輔助繞組和次級繞組的放置依賴于所用的調(diào)節(jié)方式。如果是次邊調(diào)節(jié)則次級繞組在最外層，相反輔助繞組調(diào)節(jié)則它在最外層。邊沿空隙設(shè)計時為了減小所需邊沿和絕緣層數(shù)把次級繞組作為最外層。如果輔助繞組作為最外層繞組對初級的耦合將減弱，對次級的耦合將增強(qiáng)，改善了輸出調(diào)節(jié)性能，同時通過漏電感減小了輔助源電容的峰值充電電流。

4.4）多路輸出

高功率的多路輸出設(shè)計相對初級繞組來說次級應(yīng)當(dāng)是閉合的，能夠減小漏電感和確保最佳耦合。次級應(yīng)盡可能的充滿可繞線的寬度，這樣如前面所討論的使多路次級制作較容易，它也改善了高頻時導(dǎo)線使用率。

使用前面所講的次級疊加技術(shù)能夠改善輔助輸出的負(fù)載調(diào)節(jié)性能，減小次級總匝數(shù)和骨架引腳數(shù)。

4.5）漏電感

變壓器結(jié)構(gòu)對初級繞組的漏電感有很大影響。漏電感會導(dǎo)致MOSFET關(guān)斷時產(chǎn)生感應(yīng)電壓，使漏電感最小能夠降低感應(yīng)電壓和降低甚至不需要初級緩沖電路。

變壓器繞組的頂部互相之間應(yīng)同軸以便使耦合最強(qiáng)，減小漏電感。由于此原因不使用平板和分段骨架。

另一把初級繞組分開繞制的方法也可以減小漏電感（圖8）。分開的初級繞組是最里邊第一層繞組，第二層初級繞在外邊。這需要骨架有空余引腳讓初級繞組的中心點連接其上，但是對改善耦合有意義。