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(jié)構(gòu)如圖一.
2).當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí),其等效電路如圖二(a)及在導(dǎo)通時(shí)初級(jí)電流連續(xù)時(shí)的波形,磁化曲線如圖二(b).
當(dāng)Q1導(dǎo)通,T1之初級(jí)線圈漸漸地會(huì)有初級(jí)電流流過,能量就會(huì)儲(chǔ)存在其中.由于變壓器初級(jí)與次級(jí)側(cè)之線圈極性是相反的,因此二極管D1不會(huì)導(dǎo)通,輸出功率則由Co來提供.此時(shí)變壓器相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)電感Lp,初級(jí)線圈電流Ip可以表示為:
Vdc=Lp*dip/dt
此時(shí)變壓器磁芯之磁通密度會(huì)從剩磁Br增加到工作峰值Bw.
3.當(dāng)Q1截止時(shí), 其等效電路如圖三(a)及在截止時(shí)次級(jí)電流波形,磁化曲線如圖三(b).
當(dāng)Q1截止時(shí),變壓器之安匝數(shù)(Ampere-Turns NI)不會(huì)改變,因?yàn)?#8710;B并沒有相對(duì)的改變.當(dāng)∆B向負(fù)的方向改變時(shí)(即從Bw降低到Br),在變壓器所有線圈之電壓極性將會(huì)反轉(zhuǎn),并使D1導(dǎo)通,也就是說儲(chǔ)存在變壓器中的能量會(huì)經(jīng)D1,傳遞到Co和負(fù)載上.
此時(shí)次級(jí)線圈兩端電壓為:Vs(t)=Vo+Vf (Vf為二極管D1的壓降).
次級(jí)線圈電流:
Lp=(Np/Ns)2*Ls (Ls為次級(jí)線圈電感量)
由于變壓器能量沒有完全轉(zhuǎn)移,在下一次導(dǎo)通時(shí),還有能量儲(chǔ)存在變壓器中,次級(jí)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(shè)計(jì)的步驟
1. 確定電源規(guī)格.
- .輸入電壓范圍Vin=85—265Vac;
- .輸出電壓/負(fù)載電流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A;
- .變壓器的效率ŋ=0.90
2. 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=4.5us
Toff=10-4.5=5.5us.
3. 計(jì)算變壓器初與次級(jí)匝數(shù)比n(Np/Ns=n).
最低輸入電壓Vin(min)=85*√2-20=100Vdc(取低頻紋波為20V).
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=[100*0.45]/[(5+1.0)*0.55]=13.64
4. 變壓器初級(jí)峰值電流的計(jì)算.
設(shè)+5V輸出電流的過流點(diǎn)為120%;+5v和+12v整流二極管的正向壓降均為1.0V.
+5V輸出功率Pout1=(V01+Vf)*I01*120%=6*10*1.2=72W
+12V輸出功率Pout2=(V02+Vf)*I02=13*1=13W
變壓器次級(jí)輸出總功率Pout=Pout1+Pout2=85W
如圖四, 設(shè)Ip2=k*Ip1, 取k=0.4
1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/ŋ
Ip1=2*Pout/[ŋ(1+k)*Vin(min)*Dmax]
=2*85/[0.90*(1+0.4)*100*0.45]
=3.00A
Ip2=0.4*Ip1=1.20A 
5. 變壓器初級(jí)電感量的計(jì)算.
由式子Vdc=Lp*dip/dt,得:
Lp= Vin(min)*Ton(max)/[Ip1-Ip2]
=100*4.5/[3.00-1.20]
=250uH
6.變壓器鐵芯的選擇.
根據(jù)式子Aw*Ae=Pt*106/[2*ko*kc*fosc*Bm*j*ŋ],其中:
Pt(變壓器的標(biāo)稱輸出功率)= Pout=85W
Ko(窗口的銅填充系數(shù))=0.4
Kc(磁芯填充系數(shù))=1(對(duì)于鐵氧體),
變壓器磁通密度Bm=1500 Gs
j(電流密度): j=5A/mm2;
Aw*Ae=85*106/[2*0.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90]
=0.157cm4
考慮到繞線空間,選擇窗口面積大的磁芯,查表:
EER2834S鐵氧體磁芯的有效截面積Ae=0.854cm2
它的窗口面積Aw=148mm2=1.48cm2
EER2834S的功率容量乘積為
Ap =Ae*Aw=1.48*0.854=1.264cm4 >0.157cm4
故選擇EER2834S鐵氧體磁芯.
7.變壓器初級(jí)匝數(shù)及氣隙長度的計(jì)算.
1).由Np=Lp*(Ip1-Ip2)/[Ae*Bm],得:
Np=250*(3.00-1.20)/[85.4*0.15] =35.12 取Np=36
由Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:
氣隙長度lg=uo*ur*Ae*Np2/Lp
=4*3.14*10-7*1*85.4mm2*362/(250.0*10-3mH)
=0.556mm 取lg=0.6mm
2). 當(dāng)+5V限流輸出,Ip為最大時(shí)(Ip=Ip1=3.00A),檢查Bmax.
Bmax=Lp*Ip/[Ae*Np]
=250*10-6*3.00/[85.4 mm2*36]
=0.2440T=2440Gs <3000Gs
因此變壓器磁芯選擇通過.
8. 變壓器次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算.
Ns1(5v)=Np/n=36/13.64=2.64 取Ns1=3
Ns2(12v)=(12+1)* Ns1/(5+1)=6.50 取Ns2=7
故初次級(jí)實(shí)際匝比:n=36/3=12
9.重新核算占空比Dmax和Dmin.
1).當(dāng)輸入電壓為最低時(shí): Vin(min)=100Vdc.
由Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n,得:
Dmax=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(min)]
=6*12/[6*12+100]=0.418
2).當(dāng)輸入電壓為最高時(shí): Vin(max)=265*1.414=374.7Vdc.
Dmin=(Vout+Vf)*n/[(Vout+Vf)*n+ Vin(max)]
=6*12.00/[6*12.00+374.7]=0.16
10. 重新核算變壓器初級(jí)電流的峰值Ip和有效值Ip(rms).
1).在輸入電壓為最低Vin(min)和占空比為Dmax條件下,計(jì)算Ip值和K值.(如圖五)
設(shè)Ip2=k*Ip1.實(shí)際輸出功率Pout'=6*10+13*1=73W
1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout'/ŋ (1)
K=1-[Vin(min)* Ton(max)]/(Ip1*Lp) (2)
由(1)(2)得:
Ip1=1/2*{2*Pout'*T/[ŋ* Vin(min)*Ton(max)]+
Vin(min)* Ton(max)/Lp}
=0.5*{2*73*10/[0.90*100*4.18]+100*4.18/250.0}
=2.78A
K=1-100*4.18/[2.78*250]=0.40
Ip2=k*Ip1=2.78*0.40=1.11A
2).初級(jí)電流有效值Ip(rms)=[Ton/(3T)*(Ip12+Ip22+Ip1*Ip2)]1/2
=[0.418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11)] 1/2
=1.30A
11. 次級(jí)線圈的峰值電流和有效值電流計(jì)算:
當(dāng)開關(guān)管截止時(shí), 變壓器之安匝數(shù)(Ampere-Turns NI)不會(huì)改變,因?yàn)?#8710;B并沒有相對(duì)的改變.因此開關(guān)管截止時(shí),初級(jí)峰值電流與匝數(shù)的乘積等于次級(jí)各繞組匝數(shù)與峰值電流乘積之和(Np*Ip=Ns1*Is1p+Ns2*Is2p).由于多路輸出的次級(jí)電流波形是隨各組負(fù)載電流的不同而不同, 因而次級(jí)電流的有效值也不同.然而次級(jí)負(fù)載電流小的回路電流波形,在連續(xù)時(shí)接近梯形波,在不連續(xù)時(shí)接近三角波,因此為了計(jì)算方便,可以先計(jì)算負(fù)載電流小的回路電流有效值.
1).首先假設(shè)+12V輸出回路次級(jí)線圈的電流波形為連續(xù),電流波形如下(圖一): 
1/2*[Is2p +Is2b]*toff/T=I02 (3)
Ls1*[Is2p –Is2b]/toff=V02+Vf (4)
Ls2/Lp=(Ns2/Np)2 (5)
由(3)(4)(5)式得:
Is2p=1/2*{2*I02/[1-D]+[V02+Vf]*[1-D]*T*Np2/[Ns22*Lp]}
=0.5*{2*1/[1-0.418]+[12+1]*[1-0.418]*10*362/[72*250]}
=5.72A
Is2b =I01/[1-D]-1/2*[V01+Vf]*[1-D]*Np2/[Ns22*Lp]
=1/0.582-0.5*13*0.582*10*362/[72*250]
=-2.28A <0
因此假設(shè)不成立.則+12V輸出回路次級(jí)線圈的電流波形為不連續(xù), 電流波形如上(圖七).
令+12V整流管導(dǎo)通時(shí)間為t’.
將Is2b=0代入(3)(4)(5)式得:
1/2*Is2p*t’/T=I02 (6)
Ls1*Is2p/t’=V02+Vf (7)
Ls2/Lp=(Ns2/Np)2 (8)
由(6)(7)(8)式得:
Is2p={(V02+Vf)*2*I02*T*Np2/[Lp*Ns22]}1/2
={2*1*[12+1]*10*362/[72*250]} 1/2
=5.24A
t’=2*I02*T/ Is2p=2*1*10/5.24=3.817us
2).+12V輸出回路次級(jí)線圈的有效值電流:
Is2(rms)= [t’/(3T)]1/2*Is2p
=[3.817/3*10] 1/2*5.24
=1.87A
3).+5v輸出回路次級(jí)線圈的有效值電流計(jì)算:
Is1rms= Is2(rms)*I01/I02=1.87*10/1=18.7A
12.變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的線徑計(jì)算.
1).導(dǎo)線橫截面積:
前面已提到,取電流密度j=5A/mm2
變壓器初級(jí)線圈:導(dǎo)線截面積= Ip(rms)/j=1.3A/5A/mm2=0.26mm2
變壓器次級(jí)線圈:
(+5V)導(dǎo)線截面積= Is1(rms)/j=18.7A/5A/mm2=3.74 mm2
(+12V)導(dǎo)線截面積= Is2(rms)/j=1.87A/5A/mm2=0.374mm2
2).線徑及根數(shù)的選取.
考慮導(dǎo)線的趨膚效應(yīng),因此導(dǎo)線的線徑建議不超過穿透厚度的2倍.
穿透厚度=66.1*k/(f)1/2 k為材質(zhì)常數(shù),Cu在20℃時(shí)k=1.
=66.1/(100*103)1/2=0.20
因此導(dǎo)線的線徑不要超過0.40mm.
由于EER2834S骨架寬度為22mm,除去6.0mm的擋墻寬度,僅剩下16.0mm的線包寬度.因此所選線徑必須滿足每層線圈剛好繞滿.
3).變壓器初級(jí)線圈線徑:
線圈根數(shù)=0.26*4/[0.4*0.4*3.14]=0.26/0.1256=2
取Φ0.40*2根并繞18圈,分兩層串聯(lián)繞線.
4).變壓器次級(jí)線圈線徑:
+5V: 線圈根數(shù)=3.74/0.1256=30
取Φ0.40*10根并繞3圈, 分三層并聯(lián)繞線.
+12V: 線圈根數(shù)=0.374/0.1256=3
取Φ0.40*1根并繞7圈, 分三層并聯(lián)繞線.
5).變壓器繞線結(jié)構(gòu)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.
四.結(jié)論.
由于連續(xù)模式下電流峰值比不連續(xù)模式下小,開關(guān)管的開關(guān)損耗較小,因此在功率稍大的反激變換器中均采用連續(xù)模式,且電源的效率比較高.
由于反激式變壓器的設(shè)計(jì)是反激變換器的設(shè)計(jì)重點(diǎn),也是設(shè)計(jì)難點(diǎn),如果參數(shù)不合理,則會(huì)直接影響到整個(gè)變換器的性能,嚴(yán)重者會(huì)造成磁芯飽和而損害開關(guān)管,因此在設(shè)計(jì)反激變壓器時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎,而且變壓器的參數(shù)需要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能達(dá)到最佳.
