一款I(lǐng)C開關(guān)電源的反激式變壓器設(shè)計(jì)方案-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一款I(lǐng)C開關(guān)電源的反激式變壓器設(shè)計(jì)方案-設(shè)計(jì)應(yīng)用導(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(jì)方案。

1〕反激式變壓器設(shè)計(jì)介紹

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

反激電路的主要優(yōu)勢(shì)是成本，簡(jiǎn)單和容易得到多路輸出。反激式拓?fù)鋵?duì)于100W以內(nèi)的系統(tǒng)是實(shí)用和廉價(jià)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(jì)是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，因?yàn)榕c它的變量個(gè)數(shù)有關(guān)，但是它不是很困難，稍有經(jīng)驗(yàn)就可快速和容易的處理。在變壓器設(shè)計(jì)之前的重點(diǎn)是定義電源參數(shù)，諸如輸入電壓，輸出功率，工作頻率，占空比等。根據(jù)這些我們就可以計(jì)算出變壓器參數(shù)，選擇合適的磁芯。如果計(jì)算參數(shù)沒(méi)有落在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，重復(fù)計(jì)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ISMPSIC的IR40xx系列初設(shè)計(jì)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(chǎng)不連續(xù)，當(dāng)變壓器中的能量傳遞到次邊后磁場(chǎng)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(shí)工作頻率設(shè)置的很低（約20KHz時(shí)一般不實(shí)用，因?yàn)樾枰^大尺寸的磁芯）。因此本應(yīng)用手冊(cè)僅包含不連續(xù)設(shè)計(jì)的實(shí)例。

2〕電源設(shè)計(jì)所需的標(biāo)準(zhǔn)

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

1〕工作頻率-FMin

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

3〕直流總線電壓-Vmin如110V時(shí)輸入電壓85Vac,可有10V抖動(dòng)）

4〕占空比-Dm（建議值為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(jì)步驟

首先計(jì)算總輸出功率，它包括所有次級(jí)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(shí)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(jì)算的是總的輸出功率。

根據(jù)Po變壓器的初級(jí)電感可由下式計(jì)算出。

圖1IR40xx系列反激電路典型應(yīng)用

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

此處Vo是次級(jí)輸出電壓，VD是次級(jí)輸出整流管的正向壓降。一個(gè)好的方法是先計(jì)算次級(jí)每

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

對(duì)于多路輸出電源需要反復(fù)計(jì)算找出變比，需要對(duì)輸出電壓采取一些折中以確保匝數(shù)為整數(shù)，沒(méi)有半匝。

現(xiàn)在就可計(jì)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(guò)研磨中間段得到所需的Alg值它也可以用下式由初級(jí)電感Lp（μH）和初級(jí)匝數(shù)Np計(jì)算出。

初級(jí)平均電流Iav可由假定效率η，所需總輸出功率Po及直流總線電壓Vmin算出。

所需初級(jí)峰值電流Ip可由下式算出

圖2給出不連續(xù)模式初級(jí)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(jí)電感Lp控制，終達(dá)到剛才所計(jì)算的峰值電流值Ip.在t2關(guān)斷期間初級(jí)無(wú)電流流過(guò)。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(jì)算時(shí)我們可采用變壓器壞情況下的頻率，直流總線電壓和負(fù)載。

圖2不連續(xù)反激電路初級(jí)電流波形

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

下一步是計(jì)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?jí)。根據(jù)下式由有效截面積Ae（cm2）計(jì)算出磁通密度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(gè)可選方法是由Bm（如2500）計(jì)算所需磁芯的Ae.見下式

通過(guò)改變次級(jí)匝數(shù)（Ns）可使Bm在所需范圍內(nèi)，也可直接改變初級(jí)匝數(shù)（Np）。對(duì)于專門磁芯增加次級(jí)匝數(shù)將降低Bm,反過(guò)來(lái)減少次級(jí)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(duì)不連續(xù)變壓器設(shè)計(jì)可很方便由下式算出

下一步是計(jì)算所需氣隙。這意味著先要計(jì)算無(wú)隙磁芯的相對(duì)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(zhǎng)度cm2），AL（電感系數(shù)nH/匝2）計(jì)算出

現(xiàn)在可以計(jì)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(duì)周圍元件產(chǎn)生EMI噪聲（然而對(duì)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(jì)算值的一半）。Ig是0.051mm,這是Alg的約束和研磨容許誤差。Ig計(jì)算公式如下：

隨著參數(shù)的計(jì)算和確定我們現(xiàn)在需要計(jì)算合適的導(dǎo)線規(guī)格。首先需要根據(jù)實(shí)際骨架寬度（BW）計(jì)算可用骨架寬度（BWA），初級(jí)繞組（L）層數(shù)，余留寬度（M）。初級(jí)可繞1,2層或3層但要盡量減少層數(shù)以降低初級(jí)繞組電容（也可用膠帶絕緣初級(jí)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(jí)

繞組絕緣增大3倍就無(wú)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(chǎng)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(jì)算出初級(jí)導(dǎo)線規(guī)格，由初級(jí)匝數(shù)計(jì)算出包括絕緣層在內(nèi)的導(dǎo)線外（OD,mm）。計(jì)算的目的是為了讓初級(jí)繞組覆蓋整個(gè)骨架寬度以產(chǎn)生強(qiáng)的耦合

現(xiàn)在由第5部分的導(dǎo)線規(guī)格表（它是個(gè)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(jì)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(jì)算初級(jí)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(jì)算的CMAp值應(yīng)在200~500之間，低于200的電流密度太高，它會(huì)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(jì)算的CMAp低于200需重復(fù)計(jì)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(jì)算。作為一個(gè)規(guī)范初級(jí)導(dǎo)線規(guī)格應(yīng)在26AWG之內(nèi)。這是因?yàn)樵诟哳l時(shí)電流只在導(dǎo)線表面流動(dòng)，大規(guī)格導(dǎo)線的中心沒(méi)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(wèn)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(jì)算輔助繞組導(dǎo)線規(guī)格和次級(jí)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(jì)算出適當(dāng)繞組的次級(jí)峰值電流

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

次級(jí)繞組，通過(guò)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(jí)繞組安排見下圖3.

圖3次級(jí)繞組的兩種不同安排

在圖3所示例子中次級(jí)S1傳導(dǎo)S1,S2,S3的和電流，次級(jí)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(jì)算公式變?yōu)橄率剑?/p>

此處ΣPox是各繞組功率之和，例如在圖3b）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(jì)算是簡(jiǎn)單的?，F(xiàn)在次級(jí)RMS電流（Isrms）可以下式計(jì)算：

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

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

注意此處計(jì)算的初級(jí)所用CMA（電流容量）要確保與初級(jí)和次級(jí)的電流容量相匹配。由所計(jì)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(diǎn)的AWG號(hào)（它是相鄰較大導(dǎo)線規(guī)格）附近取值。次級(jí)導(dǎo)線規(guī)格大于26AWG時(shí)建議不使用單根導(dǎo)線，其原因在前面關(guān)于初級(jí)導(dǎo)線規(guī)格時(shí)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(jià)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(shí)應(yīng)確信全部CM值在前面計(jì)算值的10%之內(nèi)。同法可計(jì)算出輔助繞組所需的導(dǎo)線規(guī)格。

圖4一個(gè)12V/2A的電源在90Vac輸入帶1.5A負(fù)載時(shí)

IR40xx的漏極電壓（CH1-00/div）、初級(jí)電流

（CH3）、次級(jí)電壓（CH2-20V/div）和次級(jí)電流（CH4）

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

變壓器制造商在制作變壓器時(shí)需要以下參數(shù)：

-磁芯和骨架序列號(hào)（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(jí)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(duì)于反激變壓器的結(jié)構(gòu)有兩種主要的設(shè)計(jì)方法，它們是：

1〕邊沿空隙法（MarginWound）-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（TripleInsulated）-次級(jí)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(duì)于ITE,在美國(guó)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(jí)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(jià)比。3倍絕緣法結(jié)構(gòu)變壓器體積可以做的很小，因?yàn)槔@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5a）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(shí)現(xiàn)，這種帶子通常需要1/2爬電距離（如6mm爬電距離時(shí)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。初級(jí)繞組是骨架中的個(gè)繞組，繞組的起始端（和初級(jí)緊密相連）是和IR40xx的漏極引腳相連的末端。這就使通過(guò)其它繞組使電壓擺動(dòng)點(diǎn)得到保護(hù)。進(jìn)而使能耦合到印制板上其它元件的EMI。

如果初級(jí)繞組多于一層，在兩繞組層之間應(yīng)放置一個(gè)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(jí)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(gè)骨架寬度）以滿足初、次級(jí)之間的絕緣要求。

在此層之上放置另一邊沿空隙，次級(jí)繞在它們之間，所以在初、次級(jí)之間就有6mm的有效爬電距離和完全電壓絕緣。在次級(jí)繞組上纏3層膠帶（整個(gè)骨架寬度）以緊固次級(jí)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5b）給出3層絕緣法結(jié)構(gòu)。可以看出初級(jí)充滿整個(gè)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(jí)繞組導(dǎo)線的3倍絕緣層。次級(jí)繞組纏在其上，纏一單層膠帶進(jìn)行保護(hù)。注意繞線和焊接時(shí)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(chǎng)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(jì)時(shí)EFD較好，大功率設(shè)計(jì)時(shí)ETD較好，多路輸出設(shè)計(jì)時(shí)EER較好。

骨架

對(duì)骨架的主要要求是確保滿足安全爬電距離，初、次級(jí)穿過(guò)磁芯的引腳距離要求以及初、次級(jí)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常用的形式，它能定做成所需的基本絕緣寬度或初、次級(jí)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(lì)磁導(dǎo)線

勵(lì)磁導(dǎo)線的護(hù)套尼龍/聚亞安酯，它在和熔化的焊料接觸時(shí)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?jiǎng)內(nèi)ソ^緣層。

3層絕緣導(dǎo)線

在3層絕緣結(jié)構(gòu)中次級(jí)繞組導(dǎo)線使用3層絕緣導(dǎo)線，和勵(lì)磁導(dǎo)線相似主導(dǎo)線是單芯，但是它有不同3個(gè)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)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(shí)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(gè)很幔的步驟。

4.2）繞線方式

C型繞線

這是常用的繞線方式。圖6）示出有2層初級(jí)繞組的C型繞線。C型繞線容易實(shí)現(xiàn)且成本低，但是導(dǎo)致初級(jí)繞組間電容增加?？梢钥闯龀跫?jí)從骨架的一邊繞到另一邊再繞回到起始邊，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的繞線方法。

Z型繞線

圖7）示出有2層初級(jí)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(jià)格較貴，但是減小了繞組間的電容。

4.3）繞組順序

初級(jí)繞組一般繞在里層這樣能使每匝長(zhǎng)度，并能減小初級(jí)電容。如前面討論的把初級(jí)繞組放在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(guò)使繞組的始端（初級(jí)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(diǎn)（具有電壓波動(dòng)）也受到其它繞組的保護(hù)。在初級(jí)繞組兩層之間纏一層膠帶對(duì)初級(jí)繞組的電容（作為四個(gè)要素中之一盡可能減小它）有很大影響。

輔助繞組和次級(jí)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(jí)繞組在外層，相反輔助繞組調(diào)節(jié)則它在外層。邊沿空隙設(shè)計(jì)時(shí)為了減小所需邊沿和絕緣層數(shù)把次級(jí)繞組作為外層。如果輔助繞組作為外層繞組對(duì)初級(jí)的耦合將減弱，對(duì)次級(jí)的耦合將增強(qiáng)，改善了輸出調(diào)節(jié)性能，同時(shí)通過(guò)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