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1、连续电流模式反激变压器的设计Design of Flyback Transformer withContinuing Current Model摘要:本文首先介绍了反激变换器(Flyback Converter)的工作原理,然后重点介绍一种连续电流模式反激变压器的设计方法以及多路输出各次级电流有效值的计算.关键词: 连续电流模式(不完全能量传递方式)、不连续电流模式(完全能量传递方式)、有效值、峰值.Keywords: Continuing Current Model、Discontinuing Current Model、virtual value 、peak value.一. 序言反激式变
2、换器以其电路结构简单,成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱,它特别适合小功率电源以及各种电源适配器.但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计,因为输入电压范围宽,特别是在低输入电压,满负载条件下变压器会工作在连续电流模式(CCM),而在高输入电压,轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式(DCM);另外关于CCM模式反激变压器设计的论述文章极少,在大多数开关电源技术书籍的论述中, 反激变压器的设计均按完全能量传递方式(DCM模式)或临界模式来计算,但这样的设计并未真实反映反激变压器的实际工作情况,变压器的工作状态可能不是最佳.因此结合本人的实际调试经验和心得,讲述一下不完全能量传递方式(CCM
3、) 反激变压器的设计.二.反激式变换器(Flyback Converter)的工作原理1).反激式变换器的电路结构如图一.2).当开关管Q1导通时,其等效电路如图二(a)及在导通时初级电流连续时的波形,磁化曲线如图二(b). T1 D1 V0Vdc Ci Np Ns C0PWM控制电路 Q1反馈控制电路图一 Vdc Ip Lp IoNp Ns C0 图二(a) Ip Ip2 Ip1 B t Bs Ton=D*T Bw Br 图二(b) H当Q1导通,T1之初级线圈渐渐地会有初级电流流过,能量就会储存在其中.由于变压器初级与次级侧之线圈极性是相反的,因此二极管D1不会导通,输出功率则由Co来提供
4、.此时变压器相当于一个串联电感Lp,初级线圈电流Ip可以表示为:ip(t)=ip(0)+1/Lp*0DTVdc*dtVdc=Lp*dip/dt此时变压器磁芯之磁通密度会从剩磁Br增加到工作峰值Bw.3.当Q1截止时, 其等效电路如图三(a)及在截止时次级电流波形,磁化曲线如图三(b). Vdc Ls Is IoNp Ns C0 Q1 图三(a) Is Is2 Is1 B t Bs Ton Toff=(1-D)*T Bw Br 图三(b) H当Q1截止时,变压器之安匝数(Ampere-Turns NI)不会改变,因为B并没有相对的改变.当B向负的方向改变时(即从Bw降低到Br),在变压器所有线圈
5、之电压极性将会反转,并使D1导通,也就是说储存在变压器中的能量会经D1,传递到Co和负载上.此时次级线圈两端电压为:Vs(t)=Vo+Vf (Vf为二极管D1的压降).次级线圈电流:is(t)=is(DT)-1/Ls*dtTVs(t)*dt Lp=(Np/Ns)2*Ls (Ls为次级线圈电感量)由于变压器能量没有完全转移,在下一次导通时,还有能量储存在变压器中,次级电流并没有降低到0值,因此称为连续电流模式或不完全能量传递模式(CCM).三.CCM模式下反激变压器设计的步骤1. 确定电源规格.1).输入电压范围Vin=90264Vac;2).输出电压/负载电流:Vout=12V/1A; 3).
6、变压器的效率=0.802. 工作频率和最大占空比确定.取:工作频率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. 计算变压器初与次级匝数比n(Np/Ns=n). 最低输入电压Vin(min)=90*1.2=108Vdc. 根据伏特-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变压器初级峰值电流的计算.
7、 设输出电流的过流点为120%;输出总功率:Pout=1.2*V0*I0=1.2*12*1=14.4W电源输入功率：Pin= Pout/=14.4/0.8=18W如图四, 设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 ( 图四)4. 变压器初级电感量的计算. 由式子Vdc=Lp*dip/dt,得: Lp= V
8、in(min)*Ton(max)/ I=108*4.5/0.493=986uH5. 变压器铁芯的选择.其中:L(变压器的初级电感量)= 986uHK1(窗口的铜填充系数)=0.0085 变压器磁通密度Bmax=3000 Gs=0.30T IIL(初级电流有效值): I=0.265A Isp(短路的最大峰值电流,通常取初级正常工作峰值的1.5倍)Aw*Ae=0.0635cm4考虑到绕线空间,选择窗口面积大的磁芯,查表:EF20铁氧体磁芯的有效截面积Ae=33.5mm2它的窗口面积Aw=30.24mm2EF20的功率容量乘积为Ap =Ae*Aw=0.1013cm4 0.0635cm4故选择EF20
9、铁氧体磁芯.7.变压器初级匝数 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因此变压器磁芯选择通过.8. 变压器次级匝数的计算.Ns=Np/n=62/6.8=9.11 取Ns =9TS辅助匝数Na=Ua*Ns/Uo=15*9/12=11.25.取11TS12.变压器初级线圈和次级线圈的线径计算. 1).导线横截面积:前面已提到,取电流密度j=6A/mm2变压器初级线圈:导线截面积= Ip(rms)/j=0.265/6A/mm2=0.
10、044mm2初级线圈线径为0.24mm变压器次级线圈:次极电流有效值：I=Io/(1-D)=1.2*/0.55=1.6A次级导线载面积=1.6/6=0.27 mm2次极线径=0.58mm5).变压器绕线结构及工艺.为了减小变压器的漏感,建议采取三文治绕法,而且采取该绕法的电源EMI性能比较好.屏蔽层Na1/2NpNs屏蔽层1/2Np 四.结论. 由于连续模式下电流峰值比不连续模式下小,开关管的开关损耗较小,因此在功率稍大的反激变换器中均采用连续模式,且电源的效率比较高.由于反激式变压器的设计是反激变换器的设计重点,也是设计难点,如果参数不合理,则会直接影响到整个变换器的性能,严重者会造成磁芯饱和而损害开关管,因此在设计反激变压器时应小心谨慎,而且变压器的参数需要经过反复试验才能达到最佳.
