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1、Flyback反激设计总结,Sun2014.09.10,目錄,反激变换器的应用 反激变换器的工作原理 反激变压器的设计步骤 设计时的注意事项及课后作业,目錄,反激变换器的应用 反激变换器的工作原理 反激变压器的设计步骤 设计时的注意事项及课后作业,反激变换器的应用,众所周知，电子设备都需要电源，并且95%以上的电源是开关电源。而对于中小功率的开关电源使用最多的拓扑是反激结构。实际应用场合：功率一般在150W以内的隔离电源，如笔记本电脑适配器、手机适配器、工业电源等。,优点：1、电路简单，成本低，可靠性高。2、输入电压在很大的范围内波动时，仍能稳定输出，无需输入电压切换而达到稳定输出的要求。3、
2、转换效率较高，损耗小。4、容易实现多路输出,缺点：1、输出电压纹波较大，负载调整精度不高，输出功率受限制，通常应用于150W以下。2、工作在CCM模式下，有较大的直流分量，易导致变压器磁芯饱和，从而加大了变压器的体积。3、当变换器工作在CCM/DCM两种不同状态下，变压器设计和环路补偿设计较困难。,目錄,反激变换器的应用 反激变换器的工作原理 反激变压器的设计步骤 设计时的注意事项及课后作业,反激变换器的工作原理,Flyback与Buck-Boost之间的关系,+,反激变换器的工作原理,当开关晶体管 Tr ton时,变压器初级Np有电流 Ip,并将能量储存于其中(E=Lp*Ip*Ip/2).由
3、于Np与Ns极性相反,此时二极管D反向偏压而截止,无能量传送到负载.当开关Tr off 时,由楞次定律:(e=-N/T)可知,变压器原边绕组将产生一反向电势,此时二极管D正向导通,负载有电流IL流通。,目錄,反激变换器的应用 反激变换器的工作原理 反激变压器的设计步骤 设计时的注意事项及课后作业,反激变压器的设计步骤,系统输入规格：,输入电压：VacminVacmax 输入频率：fL 输出电压：Vo 输出电流：Io 工作频率：fs 输出功率：Po 预计效率：输入功率：Pin=Po/最大温升：40,反激变压器的设计步骤,1.1 选择开关管和输出整流二极管1.2 计算变压器匝比1.3 确定最低输入
4、电压和最大占空比1.4 反激变换器的工作过程分析1.5 计算初级临界电流均值与峰值1.6 计算变压器初级电感量1.7 选择变压器磁芯1.8 计算变压器初级匝数、次级匝数和气隙长度1.9 满载时初级峰值电流1.10 最大工作磁芯密度 Bmax1.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值1.12 计算原边绕组、副边绕组的线径，估计窗口占有率1.13 计算绕组的铜损与铁损1.14 变压器绕线结构及工艺,反激变压器的设计步骤,1.1 选择开关管和输出整流二极管,开关管MOSFET：耐压值为Vds-mos输出二极管：（1）肖特基二极管（2）最大反向电压Vd（3）正向导通压降为Vf,1.2 计算变压器匝
5、比,考虑开关器件电压应力余量(Typ=20%)开关ON开关OFF匝比,Note：计算匝比一般有两种方法，一种如上图所示；另一种方法先确定工作模式和占空比，再进行计算，可参考3KW辅助电源设计实例。,1.3 确定输入滤波电容上的最低输入电压和最大占空比,反激变压器的设计步骤,输入滤波电容：2uF3uF/W（经验值）最低输入电压（假设tc=3mS）最低输入电压，最大功率时，占空比最大Dmax,反激变压器的设计步骤,1.4 反激变换器的工作过程分析（以CCM设计为例）,（1）低输入电压时，负载从轻载到重载，变压器经历从DCM-BCM-CCM的过程；（2）高压输入时，负载从轻载到重载，变压器可能一直工
6、作在DCM；,反激变压器的设计步骤,1.5 计算初级临界电流均值和峰值,按照最小输入电压，最大输出功率（Po_max）的条件计算：Note：临界点的设计视具体情况而定，通常有两种方式定义临界点：1）设定满载的百分之几十达临界点；2）设定满载时的电流纹波系数Kr，当Kr刚好上升到1时为临界点。例如当Po=1/3 Po_max时，变换器工作在BCM临界模式；当Po1/3 Po_max时，变换器工作在CCM连续模式；BCM模式下，最小输入电压时的平均输入电流：变压器初级临界电流峰值：,反激变压器的设计步骤,1.6 计算变压器初级电感量,最低输入电压，BCM条件下，最大导通时间：变压器初级电感量：,1
7、.7 选择变压器磁芯,基于输出功率和开关频率计算面积乘积，根据面积乘积来选择磁芯（近似的估算公式）：Ko是窗口的铜填充系数，取 Ko=0.2Kc是磁芯填充系数，对于铁氧体磁芯取 Kc=1Bm是变压器工作磁通密度，取Bm=0.5*Bsat=1600GJ是电流密度，取J=4.0 A/mm2Note：考虑绕线空间，尽量选择窗口面积大的磁芯，查表选择Aw和Ae,反激变压器的设计步骤,1.8 计算变压器初级、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度,初级绕组的匝数：（1）增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗的减小或增加。（2）以TDG公司的TP4W铁氧体磁芯为例，在100kHZ的条件下，损耗与 成正比，匝数减小
8、5%会使磁芯损耗增加15%次级绕组匝数：辅助绕组匝数：气隙长度：,反激变压器的设计步骤,1.9 满载时初级的峰值电流,（1）工作在CCM模式时，Ton_max固定不变（2）输入电压不变，BCM的Ton_max等于CCM的Ton_maxTon_max内，电感电流线性上升增量：低输入电压，满载条件下：变压器初级峰值电流：,反激变压器的设计步骤,1.10 最大工作磁芯密度Bmax,如果BmaxBsat，则证明所选择的磁芯满足设计要求，否则重新选择磁芯。,1.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值,梯形波电流的中值：电流直流分量：电流有效值：电流交流分量：,反激变压器的设计步骤,1.12 计算原边
9、绕组、副边绕组的线径，估算窗口系数Ko,（1）导线的横截面积 自然冷却时，一般取电流密度J=4 A/mm2 初级绕组截面积：Sp=Iprms/4 A/mm2 次级绕组截面积：Ss=Isrms/4 A/mm2（2）线径及根数 集肤深度 导线线径不超过集肤深度的2倍，若超过了，则需多股并绕。（3）根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙（4）窗口系数ko,反激变压器的设计步骤,1.13 计算绕组的铜损与铁损,（1）根据导线的电阻和集肤深度确定每个绕组的铜损（2）查磁芯资料，计算铁损（3）总损耗要小于预算损耗 温升经验公式：,1.14 变压器绕线结构及工艺,（1）磁芯的选取,MnZn功率铁氧体材料是开关电源
10、变压器铁芯的最佳选择：1、高频 损耗低;2、高饱和磁通密度Bs.（2）绕法 初级和次级交错式（三明治）绕法：漏感小,Ploss=*,查看磁芯手册，计算出磁芯损耗：,目錄,反激变换器的应用 反激变换器的工作原理 反激变压器的设计步骤 设计时的注意事项及课后作业,设计时的注意事项及课后作业,1、开关电源的基本结构关系,Transformer,Boost,ForwardPush-PullHalf-Bridge Full-Bridge,Buck-Boost,+,+,Buck,Transformer,+,Transformer,+,Flyback,Push-Pull Mode BoostFull-bri
11、dge Mode Boost,开关电源的基本拓扑关系如上所述，还有一些拓扑，如LLC、不对称半桥、移向全桥等拓扑也是由这些拓扑演变而来的。,设计时的注意事项及课后作业,2、反激DCM和CCM模式的对比,实际产品设计时会根据最大输出功率的大小采用CCM+DCM或DCM模式，一般小功率（如小于50W）情况下多采用DCM模式，更大功率（如75W以上）采用CCM+DCM模式（重载CCM，轻载DCM）。这两种模式的性能对比如下所示：,设计时的注意事项及课后作业,3、反激变压器的基本参数变化对电路的影响,反激电路设计的重点与难点是变压器设计，这里变压器起的作用：1、电感的作用，存储能量；2、匝比，方便改变
12、电压；3、隔离作用。,设计时的注意事项及课后作业,4、反激变压器设计的注意事项,（1）反激变压器实际上是一个储能电感，开关导通时能量储存在电感中，开关关断时，电感中能量向二次侧释放。能量主要储存在铁芯Gap中，由于受Gap体积的限制，所以反激变压器传输的功率有限，反激变换器只适用于低功率场合（一般在150W以下）；（2）选用中柱截面大的铁芯，保证在小的Gap尺寸时也能储存（传输）更多的能量，例如PQ、RM、EQ等铁芯，同时这类磁芯因为有大的表面积，有利于散热，线包被近似罐形的铁芯包围，磁力线被铁芯屏蔽，所以可以减小电磁辐射干扰；（3）设计时要弄清楚是完全工作于DCM模式还是CCM和DCM混合模
13、式，后者还要清楚两种工作模式转换之临界条件，这些给反激变压器设计带来难度。（4）最大占空比Dmax的选择受主MOS的耐压限制。设计时以MOS管耐压选择最大占空比Dmax（VDSVinmax+n*(Vo+Vf)），并留一定的余量（漏感还将引起一个电压尖峰）。并且如果Dmax大于0.5，那么对于峰值电流控制的方案需要加入谐波补偿电路。,设计时的注意事项及课后作业,5、设计反激电源还需要学习的主要内容,（1）反馈环路与控制电路的学习，例如光耦TL431反馈电路、UC3843峰值电流控制等。（2）热设计，需要考虑器件的散热，这对于产品的可靠性影响很大。（3）PCB设计，需要考虑布局与布线。,6、课后作业,用反激拓扑设计与制作一个开关电源：输入市电85Vac265Vac，输出电压12V，输出电流2.5A，输出功率30W。Note：提供一个参考设计实例，控制芯片选用UC3843,Any Questions？,Thank you！,敬請指教,
