單端反激式開關(guān)電源變壓器的計算及相關(guān)波形分析

單端反激式開關(guān)電源變壓器的計算及相關(guān)波形分析天微電子培訓(xùn)講義技術(shù)部張?zhí)炖?012.12.4變壓器在開關(guān)電源中的作用變壓器的構(gòu)成以及作用：

1）電氣隔離

2）儲能

3）變壓

4）變流

變壓器的分類功率變壓器根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三大類：（1）反激式變壓器；（2）正激式變壓器；（3）推挽式變壓器（全橋/半橋變換器中的變壓器）

下頁表格中各符號的含義：‘+’=適合；‘0’=一般；‘-’=不適合。磁芯結(jié)構(gòu)變換器電路類型反激式正激式推挽式Ecores

++0PlanarECores

-+0EFDCores

-++ETDCores

0++ERCores

0++UCores

+00RMCores

0+0EPCores

-+0PCores

-+0RingCores

-++變壓器設(shè)計時的主要指標(biāo)參數(shù)：變壓器選型初次級匝比N的計算最大占空比Dmax的計算初級匝數(shù)Np的計算初級峰值電流Ipk的計算初級電感量Lp的計算次級匝數(shù)Ns及IC供電繞組Nf的計算初次級線徑d的計算1.變壓器選型AP算法：AP=Aw*Ae（查表法）

面積AP法：磁芯截面積Ae與線圈有效窗口面積Aw的乘積。

其中：

Aw-磁芯窗口面積

Ae-磁芯有效截面積2.初次級匝比N的計算N=Np/Ns=【Vin(min)*Dmax】/【（Vo+Vd）*（1-Dmax）】N:初次級匝比Np：初級匝數(shù)Ns:次級匝數(shù)Vin(min):輸入電壓最小值Dmax:最大占空比Vo:輸出電壓Vd:輸出整流管的導(dǎo)通壓降3.最大占空比Dmax的計算Dmax=Vor/Vin(min)+Vor其中：Vor=N*（Vo+Vd）Vor:為次級輸出電壓的反射電壓，疊加在MOS管的漏極D上。N：為初次級匝比Dmax：一般小于0.5，要留有裕量，取0.4-0.45之間為宜，此計算公式只為反向驗證使用。4.初級匝數(shù)Np的計算Np=【Vin(min)*Ton】/【Ae*Bm】=【Vin(min)*Dmax】/【Ae*Bm*F】

Ton：Ton=D*T（T為高頻變壓器的實際工作周期,D為實際工作時的占空比。）

Bm

：工作磁通密度（工作磁通密度Bm應(yīng)該在設(shè)計指標(biāo)要求之內(nèi)，Bm<Bs-Br,以避免磁芯出現(xiàn)飽和。為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和，預(yù)留一定裕量，如取Bm=ΔBmax*0.6=0.198T取0.2T）

F：高頻變壓器的實際工作頻率

其中：T=1/F5.初級峰值電流Ipk的計算Ipk=【2Vo*Io】/【§*Vin(min)*Dmax】Vo：輸出電壓

Io：輸出電流§：電源能量轉(zhuǎn)換效率初級平均電流怎么計算？（在計算線徑時會用到）6.初級電感量Lp的計算以下公式假設(shè)電源工作在斷續(xù)模式（DCM模式下）Lp=【Vin(min)*Dmax】/【Ipk*F】=【Vin(min)*Ton】/IpkDCM模式有Po=0.5Lp*Ipk2*F*η.(應(yīng)用意義)連續(xù)模式的Ipk會有所不同。以下為連續(xù)模式（CCM）下的理論計算公式Lp=【Vin(min)*Dmax】/【Ipk*F】=【Vin(min)*Ton】/Ipk其中：Ipk=Ip2-Ip1=Krp*Ip2Ip1=Ip2*(1-Krp)Ip2：變壓器峰值電流。Ip1：變壓器起始電流。關(guān)于電流脈動系數(shù)Krp的選?。篕rp:電流脈動系數(shù)（安全系數(shù)）Krp的取值根據(jù)輸入電壓的范圍來確定選擇Krp值就能設(shè)定開關(guān)電源的工作模式.由Ip1=Ip2*(1-Krp)可以得出：

Krp=1-Ip1/Ip2（0＜Krp≤1）關(guān)于Krp的選取：DCM斷續(xù)模式Krp=1.0;(斷續(xù)模式Ip1=0)CCM連續(xù)模式Krp=0.4--1.0.對于85～265V寬范圍輸入或230V固定輸入的交流電壓：選擇Krp=0.6～1.0比較合適。（源自互聯(lián)網(wǎng)）什么是開關(guān)電源的DCM與CCM？開關(guān)電源的CCM和DCM狀態(tài)是指：

高頻開關(guān)變壓器次級線圈中感應(yīng)到的磁化電流，即輸出電流。磁化電流的非連續(xù)狀狀DCM：Toff>次級電感與輸出電壓之比再除以次級峰值電流。磁化電流的連續(xù)狀狀CCM：Toff≤次級電感與輸出電壓之比再除以次級峰值電流。

DCM與CCM模式的選取DCM為電流斷續(xù)模式,CCM為電流連續(xù)模式,在對紋波要求較高時可以考慮用CCM模式，但同等條件下轉(zhuǎn)換效率較DCM低些。DCM模式的轉(zhuǎn)換效率更高些，屬于能量完全轉(zhuǎn)換,但同時紋波較CCM要高.應(yīng)用中可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選取。一般來說低電壓工作在CCM模式,高電壓工作在DCM模式比較好。DCM與CCM模式的選取同一個電源只能工作于一種模式。因為能夠使DCM穩(wěn)定的環(huán)路是不可能在電源進(jìn)入CCM時保持穩(wěn)定的。DCM變壓器計算時也會留下充足余量以保證即使最壞情況也還會有充足余量使電源不進(jìn)入CCM模式。DCM與CCM模式的選取請問一下，開關(guān)電源變壓器設(shè)計中我看到連續(xù)模式和不連續(xù)模式這兩個模式怎樣選取？如果是小功率的，比如輸出只有1A，就斷續(xù)模式，這樣對元器件的要求比較低，比如副邊二極管沒有反向恢復(fù)的問題，可以選用耐壓比較低的肖特基，但MOS管的峰值電流相對較大。如果是大功率的電流比較大，比如3A，你可以設(shè)計成連續(xù)模式，這樣輸出紋波比斷續(xù)模式要小，效率要高些，MOS管的峰值電流相對較小,但存在副邊二極管的反向恢復(fù)問題當(dāng)然我這里說的1A、3A電流也不是太大，具體要看自己的需要。7.次級匝數(shù)Ns及IC供電繞組Nf的計算Ns=Np/NNf=【Ns*（Vcc+Vd1）】/(Vo+Vd2)Vd1,Vd2為整流二極管或肖特基的正向?qū)▔航?，一般?.4-2V之間。

8.初次級線徑r的計算

I=3.14*r*r*J

電流以初次級的平均電流為準(zhǔn)進(jìn)行計算。

導(dǎo)線截面（直徑）決定于繞組的電流密度。通常取J為2.5～5A/mm2。導(dǎo)線直徑的選擇還要考慮趨膚效應(yīng)。如必要，還要經(jīng)過變壓器溫升校核后進(jìn)行必要的調(diào)整。什么是導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)？交變電流通過導(dǎo)體時，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布不均勻，愈近導(dǎo)體表面電流密度越大，這種現(xiàn)象稱“趨膚效應(yīng)”。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體的有效電阻增加。頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著。當(dāng)頻率很高的電流通過導(dǎo)線時，可以認(rèn)為電流只在導(dǎo)線表面上很薄的一層中流過，這等效于導(dǎo)線的截面減小，電阻增大。為了削弱趨膚效應(yīng)，在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細(xì)導(dǎo)線編織成束來代替同樣截面積的粗導(dǎo)線，這種多股線束稱為辮線。關(guān)于變壓器的溫升問題做溫升實驗時元器件的溫度不能超過多少，像變壓器，MOS管，二極管等，有沒有什么標(biāo)準(zhǔn)？不能一概而論,變壓器主要看漆包線的耐溫等級,磁芯的居里點,半導(dǎo)體器材主要看允許的工作結(jié)溫。像變壓器B級的在環(huán)境溫度25度時，溫升不能超過105度，像安規(guī)就有溫升要求的。各種電源標(biāo)準(zhǔn)都不一樣，如果是電力電源通信電源等一些大功率電源，一般磁性元件溫升不超過80度，功率器件不超過90度，小DC/DC模塊電源一般不超過100度。（以上源自互聯(lián)網(wǎng)）開關(guān)電源的難點：變壓器設(shè)計及功率器件選型變壓器參數(shù)設(shè)計及功率器件參數(shù)選擇，散熱設(shè)計，留一定的裕量等。過各個地區(qū)或國家的認(rèn)證如UL,CE,PSE,CCC等。過EMC認(rèn)證（包括EMI和EMR）

EMI:電磁輻射EMR:電磁傳導(dǎo)各種電源的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（供參考查閱之用）安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（需了解，方便以后查閱）以TM5101為例分析開關(guān)電源的相關(guān)波形波形分析Vcs（DCM）波形分析Vcs（CCM）波形分析Vds波形分析Vgs輸出整流管兩端重要的一點：以上理論計算公式對實際設(shè)計開關(guān)電源變壓器具有指導(dǎo)意義，但絕不要依