CCM模式反激變壓器的設(shè)計(jì)

1、 CCM連續(xù)電流模式反激變壓器的設(shè)計(jì)一.序言 反激式變換器以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉而深受廣大開發(fā)工程師的喜愛,它特別適合小功率電源以及各種電源適配器.但是反激式變換器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是變壓器的設(shè)計(jì),因?yàn)檩斎腚妷悍秶鷮?特別是在低輸入電壓,滿負(fù)載條件下變壓器會(huì)工作在連續(xù)電流模式(CCM),而在高輸入電壓,輕負(fù)載條件下變壓器又會(huì)工作在不連續(xù)電流模式(DCM);另外關(guān)于CCM模式反激變壓器設(shè)計(jì)的論述文章極少,在大多數(shù)開關(guān)電源技術(shù)書籍的論述中, 反激變壓器的設(shè)計(jì)均按完全能量傳遞方式(DCM模式)或臨界模式來(lái)計(jì)算,但這樣的設(shè)計(jì)并未真實(shí)反映反激變壓器的實(shí)際工作情況,變壓器的工作狀態(tài)可能不是最佳.因此結(jié)合本人的

2、實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和心得,講述一下不完全能量傳遞方式(CCM) 反激變壓器的設(shè)計(jì).二.反激式變換器(Flyback Converter)的工作原理1).反激式變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖一.2).當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí),其等效電路如圖二(a)及在導(dǎo)通時(shí)初級(jí)電流連續(xù)時(shí)的波形,磁化曲線如圖二(b). 當(dāng)Q1導(dǎo)通,T1之初級(jí)線圈漸漸地會(huì)有初級(jí)電流流過,能量就會(huì)儲(chǔ)存在其中.由于變壓器初級(jí)與次級(jí)側(cè)之線圈極性是相反的,因此二極管D1不會(huì)導(dǎo)通,輸出功率則由Co來(lái)提供.此時(shí)變壓器相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)電感Lp,初級(jí)線圈電流Ip可以表示為:Vdc=Lp*dip/dt此時(shí)變壓器磁芯之磁通密度會(huì)從剩磁Br增加到工作峰值Bw.3.當(dāng)Q1截止時(shí)

3、, 其等效電路如圖三(a)及在截止時(shí)次級(jí)電流波形,磁化曲線如圖三(b). 當(dāng)Q1截止時(shí),變壓器之安匝數(shù)(Ampere-Turns NI)不會(huì)改變,因?yàn)锽并沒有相對(duì)的改變.當(dāng)B向負(fù)的方向改變時(shí)(即從Bw降低到Br),在變壓器所有線圈之電壓極性將會(huì)反轉(zhuǎn),并使D1導(dǎo)通,也就是說儲(chǔ)存在變壓器中的能量會(huì)經(jīng)D1,傳遞到Co和負(fù)載上. 此時(shí)次級(jí)線圈兩端電壓為:Vs(t)=Vo+Vf (Vf為二極管D1的壓降). 次級(jí)線圈電流: Lp=(Np/Ns)2*Ls (Ls為次級(jí)線圈電感量)由于變壓器能量沒有完全轉(zhuǎn)移,在下一次導(dǎo)通時(shí),還有能量?jī)?chǔ)存在變壓器中,次級(jí)電流并沒有降低到0值,因此稱為連續(xù)電流模式或不完全能量傳

4、遞模式(CCM).三.CCM模式下反激變壓器設(shè)計(jì)的步驟1.確定電源規(guī)格.1. .輸入電壓范圍Vin=85265Vac; 2. .輸出電壓/負(fù)載電流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A; 3. .變壓器的效率=0.90 2.工作頻率和最大占空比確定.取:工作頻率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.計(jì)算變壓器初與次級(jí)匝數(shù)比n(Np/Ns=n).最低輸入電壓Vin(min)=85*2-20=100Vdc(取低頻紋波為20V). 根據(jù)伏特-秒平衡,有: V

5、in(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n. n= Vin(min)* Dmax/ (Vout+Vf)*(1-Dmax)n=100*0.45/(5+1.0)*0.55=13.644.變壓器初級(jí)峰值電流的計(jì)算.設(shè)+5V輸出電流的過流點(diǎn)為120%;+5v和+12v整流二極管的正向壓降均為1.0V.+5V輸出功率Pout1=(V01+Vf)*I01*120%=6*10*1.2=72W+12V輸出功率Pout2=(V02+Vf)*I02=13*1=13W變壓器次級(jí)輸出總功率Pout=Pout1+Pout2=85W如圖四, 設(shè)Ip2=k*Ip1, 取k=0.41/2*(Ip1

6、+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/Ip1=2*Pout/(1+k)*Vin(min)*Dmax =2*85/0.90*(1+0.4)*100*0.45 =3.00AIp2=0.4*Ip1=1.20A5.變壓器初級(jí)電感量的計(jì)算. 由式子Vdc=Lp*dip/dt,得: Lp= Vin(min)*Ton(max)/Ip1-Ip2=100*4.5/3.00-1.20=250uH6.變壓器鐵芯的選擇. 根據(jù)式子Aw*Ae=Pt*106/2*ko*kc*fosc*Bm*j*,其中:Pt(變壓器的標(biāo)稱輸出功率)= Pout=85WKo(窗口的銅填充系數(shù))=0.4 Kc(磁芯填

7、充系數(shù))=1(對(duì)于鐵氧體), 變壓器磁通密度Bm=1500 Gsj(電流密度): j=5A/mm2;Aw*Ae=85*106/2*0.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90=0.157cm4考慮到繞線空間,選擇窗口面積大的磁芯,查表:EER2834S鐵氧體磁芯的有效截面積Ae=0.854cm2它的窗口面積Aw=148mm2=1.48cm2EER2834S的功率容量乘積為Ap =Ae*Aw=1.48*0.854=1.264cm4 0.157cm4故選擇EER2834S鐵氧體磁芯.7.變壓器初級(jí)匝數(shù)及氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算.1).由Np=Lp*(Ip1-Ip2)/Ae*Bm,得:Np=250*

8、(3.00-1.20)/85.4*0.15 =35.12 取Np=36由Lp=uo*ur*Np2*Ae/lg,得:氣隙長(zhǎng)度lg=uo*ur*Ae*Np2/Lp=4*3.14*10-7*1*85.4mm2*362/(250.0*10-3mH)=0.556mm 取lg=0.6mm2). 當(dāng)+5V限流輸出,Ip為最大時(shí)(Ip=Ip1=3.00A),檢查Bmax.Bmax=Lp*Ip/Ae*Np =250*10-6*3.00/85.4 mm2*36 =0.2440T=2440Gs 3000Gs因此變壓器磁芯選擇通過.8. 變壓器次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算.Ns1(5v)=Np/n=36/13.64=2.64 取N

9、s1=3Ns2(12v)=(12+1)* Ns1/(5+1)=6.50 取Ns2=7故初次級(jí)實(shí)際匝比:n=36/3=129.重新核算驗(yàn)證占空比Dmax和Dmin.1).當(dāng)輸入電壓為最低時(shí): Vin(min)=100Vdc.由Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n,得:Dmax=(Vout+Vf)*n/(Vout+Vf)*n+ Vin(min)=6*12/6*12+100=0.4182).當(dāng)輸入電壓為最高時(shí): Vin(max)=265*1.414=374.7Vdc.Dmin=(Vout+Vf)*n/(Vout+Vf)*n+ Vin(max) =6*12.00/6

10、*12.00+374.7=0.1610. 重新核算驗(yàn)證變壓器初級(jí)電流的峰值Ip和有效值Ip(rms).1).在輸入電壓為最低Vin(min)和占空比為Dmax條件下,計(jì)算Ip值和K值.(如圖五)設(shè)Ip2=k*Ip1.實(shí)際輸出功率Pout=6*10+13*1=73W1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/ (1) K=1-Vin(min)* Ton(max)/(Ip1*Lp) (2) 由(1)(2)得:Ip1=1/2*2*Pout*T/* Vin(min)*Ton(max)+ Vin(min)* Ton(max)/Lp =0.5*2*73*10/0.90*

11、100*4.18+100*4.18/250.0=2.78A K=1-100*4.18/2.78*250=0.40Ip2=k*Ip1=2.78*0.40=1.11A2).初級(jí)電流有效值Ip(rms)=Ton/(3T)*(Ip12+Ip22+Ip1*Ip2)1/2 =0.418/3*(2.782+1.112+2.78*1.11) 1/2 =1.30A 11. 次級(jí)線圈的峰值電流和有效值電流計(jì)算: 當(dāng)開關(guān)管截止時(shí), 變壓器之安匝數(shù)(Ampere-Turns NI)不會(huì)改變,因?yàn)锽并沒有相對(duì)的改變.因此開關(guān)管截止時(shí),初級(jí)峰值電流與匝數(shù)的乘積等于次級(jí)各繞組匝數(shù)與峰值電流乘積之和(Np*Ip=Ns1*Is

12、1p+Ns2*Is2p).由于多路輸出的次級(jí)電流波形是隨各組負(fù)載電流的不同而不同, 因而次級(jí)電流的有效值也不同.然而次級(jí)負(fù)載電流小的回路電流波形,在連續(xù)時(shí)接近梯形波,在不連續(xù)時(shí)接近三角波,因此為了計(jì)算方便,可以先計(jì)算負(fù)載電流小的回路電流有效值.1).首先假設(shè)+12V輸出回路次級(jí)線圈的電流波形為連續(xù),電流波形如下(圖一): 1/2*Is2p +Is2b*toff/T=I02 (3)Ls1*Is2p Is2b/toff=V02+Vf (4)Ls2/Lp=(Ns2/Np)2 (5)由(3)(4)(5)式得:Is2p=1/2*2*I02/1-D+V02+Vf*1-D*T*Np2/Ns22*Lp=0.5

13、*2*1/1-0.418+12+1*1-0.418*10*362/72*250=5.72AIs2b =I01/1-D-1/2*V01+Vf*1-D*Np2/Ns22*Lp =1/0.582-0.5*13*0.582*10*362/72*250 =-2.28A 0因此假設(shè)不成立.則+12V輸出回路次級(jí)線圈的電流波形為不連續(xù), 電流波形如上(圖七).令+12V整流管導(dǎo)通時(shí)間為t.將Is2b=0代入(3)(4)(5)式得:1/2*Is2p*t/T=I02 (6) Ls1*Is2p/t=V02+Vf (7) Ls2/Lp=(Ns2/Np)2 (8) 由(6)(7)(8)式得:Is2p=(V02+Vf)

14、*2*I02*T*Np2/Lp*Ns221/2=2*1*12+1*10*362/72*250 1/2=5.24At=2*I02*T/ Is2p=2*1*10/5.24=3.817us2).+12V輸出回路次級(jí)線圈的有效值電流:Is2(rms)= t/(3T)1/2*Is2p =3.817/3*10 1/2*5.24=1.87A3).+5v輸出回路次級(jí)線圈的有效值電流計(jì)算:Is1rms= Is2(rms)*I01/I02=1.87*10/1=18.7A12.變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的線徑計(jì)算.1).導(dǎo)線橫截面積:前面已提到,取電流密度j=5A/mm2變壓器初級(jí)線圈:導(dǎo)線截面積= Ip(rms)/

15、j=1.3A/5A/mm2=0.26mm2變壓器次級(jí)線圈:(+5V)導(dǎo)線截面積= Is1(rms)/j=18.7A/5A/mm2=3.74 mm2(+12V)導(dǎo)線截面積= Is2(rms)/j=1.87A/5A/mm2=0.374mm22).線徑及根數(shù)的選取.考慮導(dǎo)線的趨膚效應(yīng),因此導(dǎo)線的線徑建議不超過穿透厚度的2倍.穿透厚度=66.1*k/(f)1/2 k為材質(zhì)常數(shù),Cu在20時(shí)k=1. =66.1/(100*103)1/2=0.20因此導(dǎo)線的線徑不要超過0.40mm.由于EER2834S骨架寬度為22mm,除去6.0mm的擋墻寬度,僅剩下16.0mm的線包寬度.因此所選線徑必須滿足每層線圈剛好繞滿.3).變壓器初級(jí)線圈線徑:線圈根數(shù)=0.26*4/0.4*0.4*3.14=0.26/0.1256=2取0.40*2根并繞18圈,分兩層串聯(lián)繞線.4).變壓器次級(jí)線圈線徑:+5V: 線圈根數(shù)=3.74/0.1256=30取0.40*10根并繞3圈, 分三層并聯(lián)繞線.+12V: 線圈根數(shù)=0.374/0.1256=3取0.40*1根并繞7