反激式開關(guān)電源變壓器可以這樣設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2019-08-07 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】反激式變壓器是反激開關(guān)電源的核心,它決定了反激變換器一系列的重要參數(shù),如占空比D,最大峰值電流,設(shè)計(jì)反激式變壓器,就是要讓反激式開關(guān)電源工作在一個(gè)合理的工作點(diǎn)上。這樣可以讓其的發(fā)熱盡量小,對(duì)器件的磨損也盡量小。同樣的芯片,同樣的磁芯,若是變壓器設(shè)計(jì)不合理,則整個(gè)開關(guān)電源的性能會(huì)有很大下降,如損耗會(huì)加大,最大輸出功率也會(huì)有下降,下面我系統(tǒng)的說一下我設(shè)計(jì)變壓器的方法。
設(shè)計(jì)變壓器,就是要先選定一個(gè)工作點(diǎn),在這個(gè)工作點(diǎn)上算,這個(gè)是最苛刻的一個(gè)點(diǎn),這個(gè)點(diǎn)就是最低的交流輸入電壓,對(duì)應(yīng)于最大的輸出功率。下面我就來算了一個(gè)輸入85V到265V,輸出5V,2A 的電源,開關(guān)頻率是100KHZ。
第一步,選定原邊感應(yīng)電壓VOR
這個(gè)值是由自己來設(shè)定的,這個(gè)值就決定了電源的占空比??赡芘笥褌儾焕斫馐裁词窃吀袘?yīng)電壓,為了便于理解,我們從下面圖一所示的例子談起,慢慢的來。
圖1
圖這是一個(gè)典型的單端反激式開關(guān)電源,大家再熟悉不過了,下面分析一下一個(gè)工作周期的工作情況,當(dāng)開關(guān)管開通的時(shí)候,原邊相當(dāng)于一個(gè)電感,電感兩端加上電壓,其電流值不會(huì)突變,而線性的上升,有公式上升了的電流:
I升=VS*Ton/L
這三項(xiàng)分別是原邊輸入電壓、開關(guān)開通時(shí)間和原邊電感量.在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候,原邊電感放電,電感電流又會(huì)下降,同樣要尊守上面的公式定律,此時(shí)有下降了的電流:
I降=VOR*TOFF/L
這三項(xiàng)分別是原邊感應(yīng)電壓(即放電電壓)、開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間和電感量.在經(jīng)過一個(gè)周期后,原邊電感電流會(huì)回到原來的值,不可能會(huì)變,所以,有:
VS*TON/L=VOR*TOFF/L
即上升了的等于下降了的,懂嗎?好懂吧!上式中可以用D來代替TON,用(1-D)來代替TOFF。移項(xiàng)可得:
D= VOR/(VOR +VS)
此即是最大占空比了。比如說我設(shè)計(jì)的這個(gè)變壓器,我選定感應(yīng)電壓為80V,VS為90V ,則D=80/(80+90)=0.47
第二步,確定原邊電流波形的參數(shù)
邊電流波形有三個(gè)參數(shù),平均電流,有效值電流,峰值電流.,首先要知道原邊電流的波形,原邊電流的波形如下圖所示。這是一個(gè)梯形波橫向表示時(shí)間,縱向表示電流大小,這個(gè)波形有三個(gè)值,一是平均值Iav,二是有效值I,三是其峰值Ip,平均值就是把這個(gè)波形的面積再除以其時(shí)間.如下面那一條橫線所示,首先要確定這個(gè)值,這個(gè)值是這樣算的,電流平均值:
Iav=Po/(η*VS)
因?yàn)檩敵龉β食孕示褪禽斎牍β?,然后輸入功率再除以輸入電壓就是輸入電流,這個(gè)就是平均值電流。下一步求電流峰值。
為了求電流峰值我們還要設(shè)定一個(gè)參數(shù),這個(gè)參數(shù)就是KRP,所謂KRP,就是指最大脈動(dòng)電流△IM和峰值電流Ip的比值(圖二所示),KRP的取值范圍在0和1之間。這個(gè)值很重要。已知了KRP,現(xiàn)在要解方程了,都會(huì)解方程吧,這是初一的應(yīng)用題啊,我來解一下,已知這個(gè)波形一個(gè)周期的面積S=Iav*1,這個(gè)波形的面積S等于:
S=IM*KRP*D/2+IM*(1-KRP)*D
所以有電流平均值等于上式,解出來峰值電流:
IM=Iav/[(1-0.5 KRP)*D]。
比如說我這個(gè)輸出是10W,設(shè)定效率是0.8 ,則輸入的平均電流就是:
Iav=10/0.8*90=0.138A,
我設(shè)定KRP的值是0.6,而最大值:
IM=0.138/(1-0.5KRP).D=0.138/(1-0.5*0.6)*0.47=0.419A.
下面球電流的有效值I,電流有效值和平均值是不一樣的,有效值的定義還記得嗎,就是說把這個(gè)電流加在一個(gè)電阻上,若是其發(fā)熱和另處一個(gè)直流電流加在這個(gè)電阻上發(fā)熱效果一樣的話,那么這個(gè)電流的有效值就等于這個(gè)直流的電流值.所以這個(gè)電流的有效值不等于其平均值,一般比其平均值要大.而且同樣的平均值,可以對(duì)應(yīng)很多個(gè)有效值,若是把KRP的值選得越大,有效值就會(huì)越大,有效值還和占空比D也有關(guān)系,總之.它這個(gè)電流波形的形狀是息息相關(guān)的.我就直接給出有效值的電流公式,這個(gè)公式要用積分才能推得出來,我就不推了,只要大家區(qū)分開來有效值和平均值就可以了.
如圖一所示電路,電流有效值:
所以對(duì)應(yīng)于相同的功率,也就是有相同的輸入電流時(shí),其有效值和這些參數(shù)是有關(guān)的,適當(dāng)?shù)恼{(diào)整參數(shù),使有效值最小,發(fā)熱也就最小,損耗小.這便優(yōu)化了設(shè)計(jì).
第三步,選定變壓器磁芯
這個(gè)就是憑經(jīng)驗(yàn)了,如果你不會(huì)選,就估一個(gè),計(jì)算就行了,若是不行,可以再換一個(gè)大一點(diǎn)的或是小一點(diǎn)的,不過有的資料上有如何根據(jù)功率去選磁芯的公式或是區(qū)線圖,大家不妨也可以參考一下.我一般是憑經(jīng)驗(yàn)來的.
第四步,計(jì)算變壓器的原邊匝數(shù)
原邊使用的線徑.計(jì)算原邊匝數(shù)的時(shí)候,要選定一個(gè)磁芯的振幅B,即這個(gè)磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化區(qū)間,因?yàn)榧由戏讲妷汉?這個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度是變化的,正是因?yàn)樽兓?所以其才有了變壓的作用,
NP=VS*TON/SJ*B
這幾個(gè)參數(shù)分別是原邊匝數(shù),,最小輸入電壓,導(dǎo)通時(shí)間,磁芯的橫截面積和磁芯振幅,一般取B的值是0.1到0.2之間,取得越小,變壓器的鐵損就越小,但相應(yīng)變壓器的體積會(huì)大些.這個(gè)公式來源于法拉第電磁感應(yīng)定律,這個(gè)定律是說,在一個(gè)鐵心中,當(dāng)磁通變化的時(shí)候,其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓,這個(gè)感應(yīng)電壓=磁通的變化量/時(shí)間T再乘以匝數(shù)比,把磁通變化量換成磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量乘以其面積就可以推出上式來,簡單吧.我的這個(gè)NP=90*4.7μS/32mm2*0.15==88.15,取整數(shù)為88匝。
算了匝數(shù),再確定線徑。一般來說電流越大,導(dǎo)線越容易發(fā)熱,所需要的導(dǎo)線就越粗,,需要的線徑由電流有效值來確定,而不是平均值.上面已經(jīng)計(jì)算了有效值,所以就來選線。我用0.25的線就可以了,用0.25的線,其面積是0.049平方毫米,電流是0.2安,所以其電流密度是4.08。一般選定電流密度是4~10A/mm2.記住這一點(diǎn)很重要. 另外,因?yàn)楦哳l電流有趨效應(yīng),若是電流很大,最好采用兩股或是兩股以上的線并繞,這樣效果更好.
第五步,確定次級(jí)繞組的參數(shù)圈數(shù)和線徑
記得原邊感應(yīng)電壓吧,這就是一個(gè)放電電壓,原邊就是以這個(gè)電壓放電給副邊的,看上邊的圖,因?yàn)楦边呡敵鲭妷簽?V,加上肖特基管的壓降,就有5.6V,原邊以80V的電壓放電,副邊以5.6V的電壓放電,那么匝數(shù)是多少呢,當(dāng)然其遵守變壓器匝數(shù)和電壓成正比的規(guī)律啦.所以副邊匝數(shù):
NS=NP*(UO+UF)/VOR,
其中UF為肖特基管壓降.如我這個(gè)副邊匝數(shù)等于88*5.6/80,得6.16,整取6匝.
要算副邊的線徑,首先要算出副邊的有效值電流啦,副邊電流的波形會(huì)畫嗎,我畫給大家看一下吧,有突起的時(shí)間是1-D,沒有突起的是D,剛好和原邊相反,但其KRP的值和原邊相同的,這下知道了這個(gè)波形的有效值是怎么算的了吧?哦,再提醒一句,這個(gè)峰值電流就是原邊峰值電流乘以其匝數(shù)比,要比原邊峰值電流大數(shù)倍哦.
圖3
第六,步確定反饋繞組的參數(shù)
反饋是反激的電壓,其電壓是取自輸出級(jí)的,所以反饋電壓是穩(wěn)定的,TOP 的電源電壓是5.7到9V,繞上7匝,那么其電壓大概是6V多,這就可以了,記得,反饋電壓是反激的,其匝數(shù)比要和幅邊對(duì)應(yīng),懂什么意思嗎,至于線,因?yàn)榱鬟^其的電流很小,所以就用繞原邊的線繞就可以了,無嚴(yán)格的要求.
第七步,確定電感量
記得原邊的電流上升公式嗎I升=VS*TON/L.因?yàn)槟阋呀?jīng)從上面畫出了原邊電流的波形,這個(gè)I升=IM *KRP,所以:
L=VS.TON/(IM*KRP)
知道了嗎,從此就確定了原邊電感的值.
第八步,驗(yàn)證設(shè)計(jì)
即驗(yàn)證一下最大磁感應(yīng)強(qiáng)度是不是超過了磁芯的允許值,有
BMAX=L*Ip/SJ*NP.
這個(gè)五個(gè)參數(shù)分別表示磁通最大值,原邊電感量,峰值電流,磁芯橫截面積,原邊匝數(shù),這個(gè)公式是從電感量L的概念公式推過來的,因?yàn)長=磁鏈/流過電感線圈的電流,磁鏈等于磁通乘以其匝數(shù),而磁通就是磁感應(yīng)強(qiáng)度乘以其截面積,分別代入到上面,即當(dāng)原邊線圈流過峰值電流時(shí),此時(shí)磁芯達(dá)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,這個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度就用以上公式計(jì)算.BMAX的值一般一要超過0.3T ,若是好的磁芯,可以大一些,若是超過了這個(gè)值,就可以增加原邊匝數(shù),或是換大的磁芯來調(diào).
總結(jié)
設(shè)計(jì)高頻變壓器,有幾個(gè)參數(shù)要自己設(shè)定,這幾個(gè)參數(shù)就決定了開關(guān)電源的工作方式,第一是要設(shè)定最大占空比D,這個(gè)占空比是由你自己設(shè)定的感應(yīng)電壓VOR來確定的,再就是設(shè)定原邊電流的波形,確定KRP的值,設(shè)計(jì)變壓器時(shí),還要設(shè)定其磁芯振幅B,這又是一個(gè)設(shè)定,所有這些設(shè)定,就讓這個(gè)開關(guān)電源工作在你設(shè)定的方式之下了.要不斷的調(diào)整,工作在一個(gè)對(duì)你來說最好的狀態(tài)之下,這就是高頻變壓器的設(shè)計(jì)任務(wù).總結(jié)以下公式
推薦閱讀:
特別推薦
- 利用自動(dòng)化技術(shù)賦能中國基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化
- 三極管電路輸入電壓阻抗
- 晶振怎么用,你真的知道嗎?
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
- 思特威推出超星光級(jí)系列4MP圖像傳感器SC485SL
- HOLTEK新推出HT32F59045脈搏血氧儀MCU
技術(shù)文章更多>>
- 貿(mào)澤推出針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和智慧城市的工程技術(shù)資源中心
- “扒開”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索