連續(xù)模式反激變換器的設計實例

1、連續(xù)電流模式反激變壓器的設計design of flyback transformer withcontinuing current model摘要:本文首先介紹了反激變換器(flyback converter)的工作原理,然后重點介紹一種連續(xù)電流模式反激變壓器的設計方法以及多路輸出各次級電流有效值的計算.關鍵詞: 連續(xù)電流模式(不完全能量傳遞方式)、不連續(xù)電流模式(完全能量傳遞方式)、有效值、峰值.keywords: continuing current model、discontinuing current model、virtual value 、peak value.一. 序言反激式變

2、換器以其電路結構簡單,成本低廉而深受廣大開發(fā)工程師的喜愛,它特別適合小功率電源以及各種電源適配器.但是反激式變換器的設計難點是變壓器的設計,因為輸入電壓范圍寬,特別是在低輸入電壓,滿負載條件下變壓器會工作在連續(xù)電流模式(ccm),而在高輸入電壓,輕負載條件下變壓器又會工作在不連續(xù)電流模式(dcm);另外關于ccm模式反激變壓器設計的論述文章極少,在大多數(shù)開關電源技術書籍的論述中, 反激變壓器的設計均按完全能量傳遞方式(dcm模式)或臨界模式來計算,但這樣的設計并未真實反映反激變壓器的實際工作情況,變壓器的工作狀態(tài)可能不是最佳.因此結合本人的實際調(diào)試經(jīng)驗和心得,講述一下不完全能量傳遞方式(ccm

3、) 反激變壓器的設計.二.反激式變換器(flyback converter)的工作原理1).反激式變換器的電路結構如圖一.2).當開關管q1導通時,其等效電路如圖二(a)及在導通時初級電流連續(xù)時的波形,磁化曲線如圖二(b). t1 d1 v0vdc ci np ns c0pwm控制電路 q1反饋控制電路圖一 vdc ip lp ionp ns c0 圖二(a) ip ip2 ip1 b t bs ton=d*t bw br 圖二(b) h當q1導通,t1之初級線圈漸漸地會有初級電流流過,能量就會儲存在其中.由于變壓器初級與次級側之線圈極性是相反的,因此二極管d1不會導通,輸出功率則由co來提供

4、.此時變壓器相當于一個串聯(lián)電感l(wèi)p,初級線圈電流ip可以表示為:ip(t)=ip(0)+1/lp*0dtvdc*dtvdc=lp*dip/dt此時變壓器磁芯之磁通密度會從剩磁br增加到工作峰值bw.3.當q1截止時, 其等效電路如圖三(a)及在截止時次級電流波形,磁化曲線如圖三(b). vdc ls is ionp ns c0 q1 圖三(a) is is2 is1 b t bs ton toff=(1-d)*t bw br 圖三(b) h當q1截止時,變壓器之安匝數(shù)(ampere-turns ni)不會改變,因為b并沒有相對的改變.當b向負的方向改變時(即從bw降低到br),在變壓器所有線圈

5、之電壓極性將會反轉,并使d1導通,也就是說儲存在變壓器中的能量會經(jīng)d1,傳遞到co和負載上.此時次級線圈兩端電壓為:vs(t)=vo+vf (vf為二極管d1的壓降).次級線圈電流:is(t)=is(dt)-1/ls*dttvs(t)*dt lp=(np/ns)2*ls (ls為次級線圈電感量)由于變壓器能量沒有完全轉移,在下一次導通時,還有能量儲存在變壓器中,次級電流并沒有降低到0值,因此稱為連續(xù)電流模式或不完全能量傳遞模式(ccm).三.ccm模式下反激變壓器設計的步驟1. 確定電源規(guī)格.1).輸入電壓范圍vin=90264vac;2).輸出電壓/負載電流:vout=12v/1a; 3).

6、變壓器的效率=0.802. 工作頻率和最大占空比確定.取:工作頻率fosc=100khz, 最大占空比dmax=0.45.t=1/fosc=10us.ton(max)=0.45*10=4.5ustoff=10-4.5=5.5us.3. 計算變壓器初與次級匝數(shù)比n(np/ns=n). 最低輸入電壓vin(min)=90*1.2=108vdc. 根據(jù)伏特-秒平衡,有: vin(min)* dmax= (vout+vf)*(1-dmax)*n. n= vin(min)* dmax/ (vout+vf)*(1-dmax)n=108*0.45/(12+1.0)*0.55=6.8變壓器初級峰值電流的計算.

7、 設輸出電流的過流點為120%;輸出總功率:pout=1.2*v0*i0=1.2*12*1=14.4w電源輸入功率：pin= pout/=14.4/0.8=18w如圖四, 設ip2=k*ip1, 取k=0.2 ip1/2*(ip1+ip2)*vin(min)*d= pin ip1 ip1=2pin/(1+k)*vin(min)*dmax ip2 =2*18/1.2*108*0.45 t =0.617a tonip2=0.2*ip1=0.124a i=ip1-ip2=0.617-0.124=0.493a ( 圖四)4. 變壓器初級電感量的計算. 由式子vdc=lp*dip/dt,得: lp= v

8、in(min)*ton(max)/ i=108*4.5/0.493=986uh5. 變壓器鐵芯的選擇.其中:l(變壓器的初級電感量)= 986uhk1(窗口的銅填充系數(shù))=0.0085 變壓器磁通密度bmax=3000 gs=0.30t iil(初級電流有效值): i=0.265a isp(短路的最大峰值電流,通常取初級正常工作峰值的1.5倍)aw*ae=0.0635cm4考慮到繞線空間,選擇窗口面積大的磁芯,查表:ef20鐵氧體磁芯的有效截面積ae=33.5mm2它的窗口面積aw=30.24mm2ef20的功率容量乘積為ap =ae*aw=0.1013cm4 0.0635cm4故選擇ef20

9、鐵氧體磁芯.7.變壓器初級匝數(shù) b/bmax=i/ip1b=bmax*i/ip1=0.3 *0.493/0.617=0.24t1).由np=lp*i /ae*b,得:np=986*0.493/33.5*0.24 = 60.45 取np=61因此變壓器磁芯選擇通過.8. 變壓器次級匝數(shù)的計算.ns=np/n=62/6.8=9.11 取ns =9ts輔助匝數(shù)na=ua*ns/uo=15*9/12=11.25.取11ts12.變壓器初級線圈和次級線圈的線徑計算. 1).導線橫截面積:前面已提到,取電流密度j=6a/mm2變壓器初級線圈:導線截面積= ip(rms)/j=0.265/6a/mm2=0.044mm2初級線圈線徑為0.24mm變壓器次級線圈:次極電流有效值：i=io/(1-d)=1.2*/0.55=1.6a次級導線載面積=1.6/6=0.27 mm2次極線徑=0.58mm5).變壓器繞線結構及工藝.為了減小變壓器的漏感,建議采取三文治繞法,而且采取該繞法的電源emi性能比較好.屏蔽層na1/2npns屏蔽層1/2np 四.結論. 由于連續(xù)模式下電流峰值比不連續(xù)模式下小,開關