【導(dǎo)讀】電子電源中反激變壓器設(shè)計(jì)是很重要的,但是很多人并不是很整體的了解反激變壓器的設(shè)計(jì)流程,本篇文章小編就對(duì)反激變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)很有條理的的介紹,同時(shí)詳細(xì)給出了反激匝數(shù)比設(shè)計(jì)及雙路采樣設(shè)計(jì)的相關(guān)心得。
反激變壓器是在電子電源當(dāng)中比較受歡迎的一種設(shè)計(jì)。很多新手都通過反激電源的制作來熟悉電源設(shè)計(jì),目前網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于反激變壓器的學(xué)習(xí)資料五花八門且比較零散,本文就將對(duì)反激變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行從頭到尾的梳理,將零散的知識(shí)進(jìn)行整合,并配上相應(yīng)的分析,幫助大家盡快掌握。
在本節(jié)當(dāng)中,將介紹匝數(shù)比n、Dmax、UOR的設(shè)計(jì)技巧,其中包括選取原則和限制因素。
UOR、Dmax、n的設(shè)計(jì)方法
UOR的設(shè)置和輸出電壓有關(guān)
匝數(shù)比越大,漏感越大;高輸出電壓,匝數(shù)比較低,尖峰也會(huì)較?。?/div>
UOR的設(shè)置跟MOS、次邊二極管、電解電容有關(guān)
VO1上偏置電阻計(jì)算
例如:5V輸出,匝數(shù)比可以分別取15、20、25(也就是UOR不同),不同的匝比實(shí)際獲得的漏感會(huì)大不相同,效率也會(huì)差別較大。
通用輸入,普通反激變換,600V的MOS管作限制:
3.3V輸出,UOR一般為60-75V,45V二極管;
5.0V輸出,UOR一般取70-80V,45~60V二極管;
12V輸出,UOR一般控制在80-120,100V二極管;
24V輸出,UOR一般可以取到100V以上,具體看漏感控制的效果;
上面是綜合考慮到各方面的因數(shù)后,折中的取值(經(jīng)驗(yàn)值),根據(jù)使用的磁芯不同,參數(shù)會(huì)稍有變化。當(dāng)然,5V輸出也有很多人取100V左右,這是根據(jù)控制芯片及產(chǎn)品要求等而定,主要取決于實(shí)際情況,這里沒有絕對(duì)答案。
UOR的設(shè)置和輸入電壓有關(guān),
原因很簡單,UOR決定了DMAX;
UOR(DMAX)計(jì)算的第一步,是確定輸入電壓,即如何準(zhǔn)確確定HVDCmin。特別是CIN容量不足,或者是要求產(chǎn)品的工作溫度非常低時(shí),需特別注意。很容易理解,如果最小直流電壓不準(zhǔn)確的話,所有計(jì)算的結(jié)果幾乎沒有實(shí)際意義。
UOR的設(shè)置和磁芯漏感有關(guān)
匝數(shù)比越大,漏感越大,在低壓輸入及低成本設(shè)計(jì)時(shí),需要非常小心。因?yàn)檫@兩種情況下,MOS可能不會(huì)擁有太大的電壓裕量可供調(diào)整。
低壓輸入時(shí),要么是100VMOS,要么是200VMOS,一旦超出,很難彌補(bǔ);低成本設(shè)計(jì)時(shí),磁性元件(EE型磁芯)和半導(dǎo)體器件本來就爛,很難控制。
注:磁芯種類繁多,即使兩種類型的磁芯輸出功率可能一致,其表現(xiàn)出來的電氣性能差別很大,特別是氣隙和漏感的影響。不過采用合理的設(shè)計(jì),可以在一定程度上削弱漏感尖峰電壓。采用特殊的工藝,可以降低(氣隙)邊緣磁通對(duì)繞組的影響。
UOR的設(shè)置跟磁芯的結(jié)構(gòu)也有關(guān)系
這一點(diǎn)在反激變換中尤其明顯。如果磁芯無法選擇(更改),盡可能確保初次級(jí)平鋪一層。否則可能無法獲得滿意的氣隙和漏感控制。磁芯種類繁多,并非所有種類的磁芯都適合所有規(guī)格輸出。例如:
采用EE型磁芯,中心柱太短,如果初次級(jí)平鋪一層,UOR可能不會(huì)太高;
采用EER型磁芯,中心柱太長,如果初次級(jí)平鋪一層,UOR可能不會(huì)太低;
但這不是絕對(duì)的,因?yàn)槌醮渭?jí)的漆包線可以采用多股繞制來確保平鋪,不過有些情況即使采用多股線也無法滿足要求。
UOR的設(shè)置跟磁芯損耗有關(guān)
UOR越高,磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,磁芯損耗會(huì)越大,在準(zhǔn)諧振反激變壓器設(shè)計(jì)中需特別注意,否則磁芯損耗非常大,也比較容易飽和(但在普通的DCM、CCM變壓器設(shè)計(jì)中并不明顯)。
[page]
UOR的設(shè)置跟MOS、次邊二極管、電解電容有關(guān)
應(yīng)該通過設(shè)置UOR及KRP來滿足半導(dǎo)體元件的有效電流、峰值電流、耐壓等,還有電解電容的紋波電流。因?yàn)樵O(shè)計(jì)常規(guī)的產(chǎn)品,功率半導(dǎo)體器件和輸出電容幾乎是“常量”。
UOR的設(shè)置和輸出電流有關(guān)
如果輸出電流很大,此時(shí)次級(jí)一般會(huì)控制在3-4T,顯然原邊也不會(huì)太高。否則過大的DMAX會(huì)給次級(jí)造成極大的電流應(yīng)力,此時(shí)也需要將KRP跟UOR緊密聯(lián)系起來。
UOR的確定跟氣隙有關(guān)
一般把氣隙控制在0.2-0.8mm(中心柱),以減小邊緣磁通損耗,此時(shí)也需要將KRP跟UOR緊密聯(lián)系起來。UOR也應(yīng)該跟擋墻的寬度有關(guān)(初次級(jí)隔離電壓),因?yàn)橹行闹L度直接決定了單層NP的大?。↖RMS可以算出來)。這很難理解,牽扯的變量太多了,可以一步一步去仔細(xì)分析、計(jì)算。如果自己繞變壓器繞的比較多的話,應(yīng)該很容易明白。
原邊UOR的確定跟控制芯片有關(guān)
原因很簡單,UOR決定了DMAX;即區(qū)分電壓模式控制還是電流模式控制。
看了這么多,大家一定也有所感觸,其實(shí)UOR的取值是一個(gè)綜合的優(yōu)化過程,這部分的內(nèi)容就說到這里,下面額外講一些關(guān)于雙路采樣的小心得。
雙路采樣心得
假設(shè)VO1=5V2A,VO2=12V0.5A,要求負(fù)載調(diào)整率盡可能的高;
一些建議:
負(fù)載調(diào)整率與NP無直接關(guān)系;盡可能采用長寬比高的磁芯,此類磁芯耦合較佳;NS較高調(diào)整率會(huì)相對(duì)較好(滿足單層平鋪的情況下,耦合良好的原因);盡可能減小漏感(采用較大的LP、較小的氣隙、初次級(jí)平鋪、采用三明治繞法等等);盡量采用CCM模式設(shè)計(jì),因?yàn)镃CM模式下,LS/LP比值相對(duì)更小;調(diào)整率與R1-6之間的比率密切相關(guān),建議每一路偏置電阻均采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn);調(diào)整率與D1、D2的VF密切相關(guān)(應(yīng)該也包括速度,如肖特基、快恢復(fù)之分);
下偏置電阻計(jì)算
已知VREF=2.5V,假設(shè)R5=3K,R6=NC,總的偏置電流為:
I=2.5V/3K=0.833mA
注:R6用于微調(diào)輸出電壓,改變R6,則VO1、VO2會(huì)同步上升或者下降。
[page]
VO1上偏置電阻計(jì)算
已知VREF=2.5V,VO1=5V,總偏置電流等于0.833mA,則VO1的上偏置電流為:
0.833mA/2=0.417mA(反饋電流比例占50%)
Vo1的上偏置電阻為:
VO1-VREF/0.417mA=5V-2.5V/0.417mA=6K
設(shè)置R1=12K,R2=12K。
VO2上偏置電阻計(jì)算
已知VREF=2.5V,VO2=12V,總偏置電流等于0.833mA,則VO2的上偏置電流為:
0.833mA/2=0.417mA(反饋電流比例占50%)
Vo2的上偏置電阻為:
VO2-VREF/0.417mA=12V-2.5V/0.417mA=22.78K
設(shè)置R3=24K,R2=430-470K調(diào)整。
NS1匝數(shù)計(jì)算
已知VO1=5V,假設(shè)VF=0.5V,那么NS1兩端的電壓為5.5V;
假設(shè)NS1=5T,那么NS1每一匝的電壓為:
5.5V/5T=1.1V
簡易優(yōu)化分析
當(dāng)NS1=4T時(shí),1.375V/T;
當(dāng)NS1=5T時(shí),1.100V/T;
當(dāng)NS1=6T時(shí),0.917V/T;
當(dāng)NS1=7T時(shí),0.786V/T;
從上述計(jì)算我們可以得知,NS值越大,每一匝的電壓越低。這意味著V/T越低,電壓計(jì)算值會(huì)越精確。最終選擇NS1=7T,即變壓器每一匝的電壓為0.786V/T;
NS2匝數(shù)計(jì)算
已知VO2=12V,假設(shè)VF=0.5V,那么NS2兩端的電壓必須為:
12V+VF=12.5-12.8V之間
取NS2=16T,則0.786V*16T=12.576V,減去VF值,VO2=12V左右。
偏置電阻計(jì)算出來了,NS1、NS2的匝數(shù)也計(jì)算出來了。接下來要處理唯一不確定的因數(shù)-----------二極管的VF值。
需要注意的是,規(guī)格書提供的VF值,在此處往往并沒有太多的參考價(jià)值,建議還是用實(shí)驗(yàn)的方法來選擇。在滿足電壓、電流應(yīng)力和封裝的條件下,需要盡可能的多準(zhǔn)備一些不同類型、品牌的二極管。這會(huì)存在N種不同的組合,例如5V輸出,我們可以選45V、60V、100V的肖特基。12V輸出,可以選用100V的肖特基或者超快恢復(fù)二極管,必要時(shí),200V的HER303都是有可能的。在變壓器設(shè)計(jì)良好的情況下,雙路的負(fù)載調(diào)整率應(yīng)該僅僅取決于二極管的VF值是否精確匹配。
千萬不要隨便改變采樣電阻比率,以達(dá)到合適的電壓精度,否則會(huì)越調(diào)越復(fù)雜。另外,變壓器的匝數(shù)比計(jì)算和繞制工藝也非常關(guān)鍵。關(guān)于疊加繞組、非50%比率采樣,建議查閱相關(guān)資料。
本篇文章對(duì)反激變壓器的匝數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹,并給出了雙路采樣的相關(guān)心得。在下一節(jié)當(dāng)中,將為大家?guī)鞶R模式變壓器設(shè)計(jì),也就是臨界模式的分析與計(jì)算。