連續(xù)模式反激變換器的設(shè)計(jì)實(shí)例

1、連續(xù)電流模式反激變壓器的設(shè)計(jì)design of flyback transformer withcontinuing current model摘要:本文首先介紹了反激變換器(flyback converter)的工作原理,然后重點(diǎn)介紹一種連續(xù)電流模式反激變壓器的設(shè)計(jì)方法以及多路輸出各次級(jí)電流有效值的計(jì)算.關(guān)鍵詞: 連續(xù)電流模式(不完全能量傳遞方式)、不連續(xù)電流模式(完全能量傳遞方式)、有效值、峰值.keywords: continuing current model、discontinuing current model、virtual value 、peak value.一. 序言反激式變

2、換器以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉而深受廣大開(kāi)發(fā)工程師的喜愛(ài),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(kāi)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

3、) 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(kāi)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). t1 d1 v0vdc ci np ns c0pwm控制電路 q1反饋控制電路圖一 vdc ip lp ionp ns c0 圖二(a) ip ip2 ip1 b t bs ton=d*t bw br 圖二(b) h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(guò),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

4、.此時(shí)變壓器相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)電感l(wèi)p,初級(jí)線圈電流ip可以表示為:ip(t)=ip(0)+1/lp*0dtvdc*dtvdc=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), 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). vdc ls is ionp ns c0 q1 圖三(a) is is2 is1 b t bs ton toff=(1-d)*t bw br 圖三(b) h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)閎并沒(méi)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

5、之電壓極性將會(huì)反轉(zhuǎn),并使d1導(dǎo)通,也就是說(shuō)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:is(t)=is(dt)-1/ls*dttvs(t)*dt lp=(np/ns)2*ls (ls為次級(jí)線圈電感量)由于變壓器能量沒(méi)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(méi)有降低到0值,因此稱為連續(xù)電流模式或不完全能量傳遞模式(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=90264vac;2).輸出電壓/負(fù)載電流:vout=12v/1a; 3).

6、變壓器的效率=0.802. 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)=90*1.2=108vdc. 根據(jù)伏特-秒平衡,有: vin(min)* dmax= (vout+vf)*(1-dmax)*n. n= vin(min)* dmax/ (vout+vf)*(1-dmax)n=108*0.45/(12+1.0)*0.55=6.8變壓器初級(jí)峰值電流的計(jì)算.

7、 設(shè)輸出電流的過(guò)流點(diǎn)為120%;輸出總功率:pout=1.2*v0*i0=1.2*12*1=14.4w電源輸入功率：pin= pout/=14.4/0.8=18w如圖四, 設(shè)ip2=k*ip1, 取k=0.2 ip1/2*(ip1+ip2)*vin(min)*d= pin ip1 ip1=2pin/(1+k)*vin(min)*dmax ip2 =2*18/1.2*108*0.45 t =0.617a tonip2=0.2*ip1=0.124a i=ip1-ip2=0.617-0.124=0.493a ( 圖四)4. 變壓器初級(jí)電感量的計(jì)算. 由式子vdc=lp*dip/dt,得: lp= v

8、in(min)*ton(max)/ i=108*4.5/0.493=986uh5. 變壓器鐵芯的選擇.其中:l(變壓器的初級(jí)電感量)= 986uhk1(窗口的銅填充系數(shù))=0.0085 變壓器磁通密度bmax=3000 gs=0.30t iil(初級(jí)電流有效值): i=0.265a isp(短路的最大峰值電流,通常取初級(jí)正常工作峰值的1.5倍)aw*ae=0.0635cm4考慮到繞線空間,選擇窗口面積大的磁芯,查表:ef20鐵氧體磁芯的有效截面積ae=33.5mm2它的窗口面積aw=30.24mm2ef20的功率容量乘積為ap =ae*aw=0.1013cm4 0.0635cm4故選擇ef20

9、鐵氧體磁芯.7.變壓器初級(jí)匝數(shù) b/bmax=i/ip1b=bmax*i/ip1=0.3 *0.493/0.617=0.24t1).由np=lp*i /ae*b,得:np=986*0.493/33.5*0.24 = 60.45 取np=61因此變壓器磁芯選擇通過(guò).8. 變壓器次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算.ns=np/n=62/6.8=9.11 取ns =9ts輔助匝數(shù)na=ua*ns/uo=15*9/12=11.25.取11ts12.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=6a/mm2變壓器初級(jí)線圈:導(dǎo)線截面積= ip(rms)/j=0.265/6a/mm2=0.044mm2初級(jí)線圈線徑為0.24mm變壓器次級(jí)線圈:次極電流有效值：i=io/(1-d)=1.2*/0.55=1.6a次級(jí)導(dǎo)線載面積=1.6/6=0.27 mm2次極線徑=0.58mm5).變壓器繞線結(jié)構(gòu)及工藝.為了減小變壓器的漏感,建議采取三文治繞法,而且采取該繞法的電源emi性能比較好.屏蔽層na1/2npns屏蔽層1/2np 四.結(jié)論. 由于連續(xù)模式下電流峰值比不連續(xù)模式下小,開(kāi)關(guān)