今天將進(jìn)行一個(gè)較為完整的分析，KRP作為反激變壓器中的靈魂參數(shù)，該如何對其進(jìn)行取舍，值得我們深入探討。

 

首先先對文章當(dāng)中的將要提到的一些名詞進(jìn)行解釋。

 

工作模式：即電感電流工作狀態(tài)，一般分DCM、CCM、BCM三種(定性分析)。

 

KRP：描述電感電流工作狀態(tài)的一個(gè)量(定量計(jì)算)；

 

KRP的意義：只要原邊電感電流處于連續(xù)狀態(tài)，都稱之為CCM模式。而深度CCM模式(較小紋波電流)與淺度CCM模式(較大紋波電流)相比較，電感量相差好幾倍，而淺度CCM模式與BCM、DCM模式的各種性能、特點(diǎn)可能更為相似。顯然需要一個(gè)合適的參數(shù)來描述所有電感電流的工作狀態(tài)。通過設(shè)置KRP值，可以把變壓器的電感電流狀態(tài)與磁性材料、環(huán)路特性等緊密聯(lián)系起來。我們也可以更加合理的評估產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，例如：

 

KRP較大時(shí)(特別是DCM模式)，磁芯損耗一般較大(NP較小)，氣隙較小(無氣隙要求，僅滿足LP值)，LP較小，漏感會較大，紋波電流較大(電流有效值較高)；

 

KRP較小時(shí)(特別是深度CCM模式)，磁芯損耗一般較小(NP較大)，氣隙較大(有氣隙要求，平衡直流磁通)，LP較大，漏感會較小，紋波電流較小(電流有效值較低)；

 

注：KRP較小時(shí)，氣隙也是可以做到較小，但這需要更大的磁芯和技巧；

 

KRP較大時(shí)，磁芯損耗也是可以做的較小，但這同樣需要更大的磁芯和技巧；

 

這里說一點(diǎn)題外話，大部分人通常認(rèn)為，相同磁芯、開關(guān)頻率，DMAX，DCM模式比CCM模式下的輸出功率更大；其實(shí)這是不完全對的(至少不符合實(shí)際,因?yàn)樾枰拗艱MAX，導(dǎo)致空載容易異常)，原因在于DCM模式下磁芯損耗會超出你的想象(電應(yīng)力也會如此)；DCM模式下，如果想大幅度降低磁芯損耗，唯一的方法是增大NP，而過大的NP會與LP形成現(xiàn)實(shí)沖突(DCM模式下，LP一般較小)，造成磁芯氣隙超出你的想象(漏感也會如此)；有沒有方法解決這種現(xiàn)實(shí)矛盾?答案應(yīng)該是肯定的，即選擇合適的磁芯結(jié)構(gòu)，如長寬比小且AE大的磁芯(PQ、POT系列)，或許會比長寬比大且AE小的磁芯(EER、EEL系列)更加有優(yōu)勢。(補(bǔ)充：在DCM模式下，如果限制DMAX，則會比CCM模式下輸出更大的功率)

 

KRP較大時(shí)，增大DMAX可以在一定程度上降低原邊的紋波電流及有效電流值，但是次級的電流應(yīng)力會更加惡劣，這種方法(增大/減小DMAX)只適合平衡初次級的電壓、電流應(yīng)力，應(yīng)該不是一種很好的設(shè)計(jì)手段。

 

KRP較大時(shí)，空載啟動困難，特別是低壓大電流輸出，且空載無跳頻(寬范圍AC輸入時(shí)尤其如此，如3.3V10A，特別是超低壓輸入)；

 

KRP較小時(shí)，開關(guān)損耗較大，特別是高壓小電流輸出，且開關(guān)頻率較高(窄范圍AC輸入時(shí)尤其如此，如100V0.5A，特別是超高壓輸入)；

 

注：非低壓大電流產(chǎn)品(如12V5A)，KRP較大時(shí)，DMAX不能設(shè)計(jì)的過小，否則空載也會啟動困難，且空載無跳頻(寬范圍AC輸入時(shí)尤其如此)；

 

超低壓輸入產(chǎn)品(如12V輸入)，KRP應(yīng)該較小，且開關(guān)頻率也不能過高，否則LP過小(漏感過大)無法正常工作(或者效率極低)。

 

KRP較大時(shí)，動態(tài)響應(yīng)較快，環(huán)路補(bǔ)償比較容易(特別是采用電流模式控制)；

 

KRP較小時(shí)，動態(tài)響應(yīng)較慢，環(huán)路補(bǔ)償相對困難(特別是采用電壓模式控制)；

 

KRP較大時(shí)，電感電流斜率較急，CS采樣端對噪聲影響不明顯；

 

KRP較小時(shí)，電感電流斜率較緩，CS采樣端可能會受到噪聲影響；

 

注：電流模式芯片通常會比電壓模式控制芯片的性能更加優(yōu)異，但并非所有情況下都是如此。如果輸入電壓較高，輸出功率較小，電流模式芯片可能無法檢測CS電壓，低壓大電流輸出產(chǎn)品在空載時(shí)也會出現(xiàn)這種情況(再次強(qiáng)調(diào)，寬范圍AC輸入，低壓大電流輸出〈甚至非大電流輸出產(chǎn)品〉，如果KRP較大，DMAX又較小，空載極有可能出問題，或許輕載降頻、提高VCC都不一定有效，但是采用某些電壓模式控制芯片，可能會避免此問題)。低壓輸入，輸出功率很大時(shí)，電感電流斜率較緩，CS采樣電壓(電阻/互感器)可能很容易受到干擾，如果負(fù)載變化較大，也可能會因此CS端采樣異常。也不是所有電流模式芯片均比電壓模式芯片優(yōu)秀，這需要綜合考慮各種因素，包括外圍電路的復(fù)雜程度。

 

超高壓輸入時(shí)，KRP應(yīng)該設(shè)置較大(最好是QR模式)，開關(guān)損耗會較低；

 

超低壓輸入時(shí)，KRP應(yīng)該設(shè)置較小(最好是深度CCM模式)，漏感會較低；

 

注：關(guān)于這兩條，后續(xù)有必要專門展開分析。

電感紋波電流如何設(shè)置，主要取決于輸入電壓范圍、輸入電壓幅度、輸出電壓幅度、輸出電流范圍、漏感百分比(氣隙)四個(gè)量。

 

1、寬范圍輸入時(shí)，盡量選擇深度CCM模式；

 

注：在所有輸入電壓范圍內(nèi)，功率器件的電壓電流應(yīng)力會有一個(gè)較好的折中；

 

2、輸入電壓非常低時(shí)(如12/24V)，請選擇深度CCM模式(KRP≤0.40)；

 

注：此時(shí)如何降低漏感擺在第一位，深度CCM模式下，自然會獲得最小的漏感量；

 

3、輸入電壓非常高時(shí)(如400VDC)，請選擇DCM模式(或者QR模式)；

 

注：此時(shí)如何降低開關(guān)損耗擺在第一位，在QR模式下，自然會獲得最小開關(guān)損耗；

 

4、輸出電壓非常高時(shí)，請選擇DCM模式(或者QR模式)；

 

注：此時(shí)如何降低開關(guān)損耗擺在第一位，在QR模式下，自然會獲得最小開關(guān)損耗；

 

5、輸出電流非常大時(shí)，盡量選擇CCM模式，KRP值視輸入電壓范圍及幅值決定；

 

注：CCM模式下，峰值電流、紋波電流、有效電流都會相對較小，且盡量避免采用單個(gè)肖特基二極管去處理高有效值電流，也要想辦法去避免空載問題。

 

6、小電流輸出，盡量采用DCM(QR)模式。

 

注：功率小，效率較高。

 

7、如果要求最小漏感設(shè)計(jì)，盡量選擇CCM模式，KRP盡可能的小。

 

8、采用較小磁芯輸出較大功率的前提條件是：較小DMAX、較高電感紋波電流(有效電流)，空載問題好解決

 

9、KRP小于0.66時(shí)，電感電流峰值、有效值，不再跟隨KRP值的減小而明顯減小，但是Bdc及氣隙上升非常明顯；

 

KRP小于0.40時(shí)，電感電流紋波電流將會出現(xiàn)過小而導(dǎo)致CS采樣困難，且飽和的10電感電流上升不明顯；

 

10、如果設(shè)置BCM模式下的LP=1，其他工作條件不變，則：

 

KRP=1.00，LP=1

 

KRP=0.66，LP=2

 

KRP=0.50，LP=3

 

KRP=0.40，LP=4

 

KRP=0.33，LP=5

 

我們可以研究不同KRP值下，磁芯的Bdc、Lg的變化趨勢，甚至可以更換不同的磁芯來滿足電氣參數(shù)設(shè)計(jì)(KRP、DMAX、LP均不會發(fā)生改變)。如此一來，KRP(電氣參數(shù))將會與磁芯參數(shù)形成緊密的聯(lián)系，方便量化分析。通過不同的電感紋波電流，來讓我們知道變換器到底需要什么樣的磁芯設(shè)計(jì)參數(shù)(包括磁芯選型)。而不是先來設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，然后自動生成KRP等電氣參數(shù)。

 

簡單的理解，就是先設(shè)計(jì)好電氣參數(shù)，如初次級的電壓、電流應(yīng)力，評估各種損耗溫升，考慮到PWM芯片、MOS、二極管各種的特點(diǎn)(先選好)，讓反激變換器工作在最佳的工作狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)最佳的電氣參數(shù)，我們來設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，如NP、NS、氣隙等等，最后通過更換磁芯或是微調(diào)變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓整個(gè)變換器都工作在最合理的狀態(tài)。如果開頭就進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)，會導(dǎo)致我們產(chǎn)品優(yōu)化的余地較小(不得不重新計(jì)算或是申請樣品)。

 

不過，不得不承認(rèn)，每一個(gè)人的學(xué)習(xí)經(jīng)歷往往很不同，屬于自己的最佳設(shè)計(jì)流程，應(yīng)該是自己最熟練、最能理解的哪一種。那是一種積累、一種磨練，千萬不要輕易去否定。這里提供的方法只是其中一種，諸多技巧中，如果覺得好就用，不好就不用。

KRP的別名：KRF、r，它們之間存在換算關(guān)系，建議參考相關(guān)資料；

如果設(shè)置BCM模式下的LP=1，其他工作條件不變，則：

 

(磁芯、匝數(shù)比不變，否則無法完成對此；NP的變化不會改變DMAX、電壓、電流應(yīng)力，NP主要是影響磁芯參數(shù)設(shè)計(jì))

 

1、KRP從1.00下降至0.66時(shí)，峰值電流的下降非常明顯，當(dāng)KRP從0.66向0.33下降時(shí)，峰值電流的下降幅度非常有限；

 

2、KRP從1.00下降至0.33時(shí)，紋波電流的下降一直非常明顯，與LP的變化趨勢剛好相反(I=V*TON/LP)；

 

3、KRP從1.00下降至0.66時(shí)，有效電流的下降非常明顯，當(dāng)KRP從0.66向0.33下降時(shí)，有效電流的下降幅度非常有限；

 

4、KRP從1.00下降至0.33時(shí)，BDC急劇增大，氣隙的大小與磁性元件的設(shè)計(jì)有關(guān)，由于對比中的NP會有所不同，所以氣隙、BDC、BAC的變化趨勢僅僅是起有限的參考作用；

 

關(guān)于BDC、BAC的變化趨勢(二者是由哪些量決定的)分析見《開關(guān)電源手冊》，其中有詳細(xì)描述：

 

①外加的伏秒值、匝數(shù)、磁芯面積決定了交變磁通量(BAC)；

 

VTon(n)+Np+Ae→△B

 

②直流平均電流值、匝數(shù)、磁路長度決定了直流磁場強(qiáng)度(BDC)；

 

Idc+Np+Le(lg)→Hdc

 

③加氣隙和不加氣隙，磁芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度是一樣的；但加氣隙的磁芯能顯著減小剩磁Br，另外，加氣隙可以承受大的多的直流電流；

 

6、KRP從1.00下降至0.33時(shí)，LP的變化范圍非常有意思，注意是整數(shù)倍，這為我們評估變壓器的設(shè)計(jì)提供了極好的參考依據(jù)，我們可以一開始就設(shè)計(jì)在臨界模式，并且將臨界LP作為參考數(shù)值。需要明白，在保持匝數(shù)比(DMAX)不變的情況下，產(chǎn)品中的各種電壓應(yīng)力不會有任何改變(DMAX決定了電壓應(yīng)力，也不能夠大幅度改變，只適合微調(diào))。我們可以通過研究KRP(LP)變化時(shí)，各種電流應(yīng)力與磁芯參數(shù)的變化趨勢，最終找出最優(yōu)設(shè)計(jì)。

 

7、采用此方法設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，建議采用V*TON，而不是I²*LP，因?yàn)镈MAX(決定TON)幾乎是固定量變化不大，而LP可以是變化量(由KRP決定)，變化量非常大，優(yōu)化分析時(shí)也比較簡單。

 

8、需要認(rèn)真理解NP與LP不是線性關(guān)系，也要完全明白氣隙的計(jì)算公式；

 

9、進(jìn)行KRP及變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，需要緊密聯(lián)系各種參數(shù)(電壓、電流應(yīng)力，磁性參數(shù))，然后進(jìn)行系統(tǒng)分析。這是我極力推薦大家采用軟件的主要原因，手工計(jì)算極易出錯、慢、且無法對全局進(jìn)行優(yōu)化分析。

 

10、關(guān)于KRP的相關(guān)介紹，可以參考PI的相關(guān)設(shè)計(jì)資料；關(guān)于KRF的相關(guān)介紹，可以參考飛兆的相關(guān)設(shè)計(jì)資料；關(guān)于r的相關(guān)介紹，可以參考《精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)》；關(guān)于KRP，其他公司也有各種不同的描述，但他們要表達(dá)的意思其實(shí)都差不多。

 

 

電壓型控制典型芯片：SG3524/3525、TOP22X/23X/24X等等

 

電流型控制典型芯片：TL494、UC3842/3/4/5、NCP1200、NCP1337等等

 

ON/OFF開關(guān)控制典型芯片：TNY系列，RCC變換器，安森美有個(gè)系列好像也是的

 

聲明：后續(xù)可能還會直接引用一些PI的資料，特別是設(shè)計(jì)流程、軟件操作、芯片資料、包括部分設(shè)計(jì)思路等等，并不代表PI的設(shè)計(jì)理念比其他公司更優(yōu)秀，僅僅是我更熟悉些而已，而且這些資料都有中文版本，內(nèi)容詳實(shí)，方便初學(xué)者追根溯源。

 

關(guān)于書籍，推薦大家《新型單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用》2004版，雖然比較難找，但是對于入門來說非常不錯。PI的變壓器設(shè)計(jì)軟件其實(shí)是非常不錯的入門工具，熟練了也可以把它用來設(shè)計(jì)其它類型的芯片?，F(xiàn)在又可以用來設(shè)計(jì)PFC、正激、LLC等拓?fù)?，太?qiáng)大了，建議初學(xué)者多花點(diǎn)時(shí)間學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)。

 

以上就是反激變壓器的工作狀態(tài)和KRP的定性分析，當(dāng)然如果詳細(xì)分析起來還有更多的內(nèi)容，如PFC、正激類的輸出電感等，這些內(nèi)容都可用KRP來描述，總體來說沒有那么高深莫測，只是作為不同的應(yīng)用時(shí)，側(cè)重點(diǎn)也有所不同，只要勤于鉆研和實(shí)踐，這對大家來說將不是什么難題。