單端反激式開關(guān)電源變壓器的計(jì)算及相關(guān)波形分析

單端反激式開關(guān)電源變壓器的計(jì)算及相關(guān)波形分析天微電子培訓(xùn)講義技術(shù)部張?zhí)炖?012.12.4變壓器在開關(guān)電源中的作用變壓器的構(gòu)成以及作用：

1）電氣隔離

2）儲(chǔ)能

3）變壓

4）變流

變壓器的分類功率變壓器根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三大類：（1）反激式變壓器；（2）正激式變壓器；（3）推挽式變壓器（全橋/半橋變換器中的變壓器）

下頁表格中各符號(hào)的含義：‘+’=適合；‘0’=一般；‘-’=不適合。磁芯結(jié)構(gòu)變換器電路類型反激式正激式推挽式Ecores

++0PlanarECores

-+0EFDCores

-++ETDCores

0++ERCores

0++UCores

+00RMCores

0+0EPCores

-+0PCores

-+0RingCores

-++變壓器設(shè)計(jì)時(shí)的主要指標(biāo)參數(shù)：變壓器選型初次級(jí)匝比N的計(jì)算最大占空比Dmax的計(jì)算初級(jí)匝數(shù)Np的計(jì)算初級(jí)峰值電流Ipk的計(jì)算初級(jí)電感量Lp的計(jì)算次級(jí)匝數(shù)Ns及IC供電繞組Nf的計(jì)算初次級(jí)線徑d的計(jì)算1.變壓器選型AP算法：AP=Aw*Ae（查表法）

面積AP法：磁芯截面積Ae與線圈有效窗口面積Aw的乘積。

其中：

Aw-磁芯窗口面積

Ae-磁芯有效截面積2.初次級(jí)匝比N的計(jì)算N=Np/Ns=【Vin(min)*Dmax】/【（Vo+Vd）*（1-Dmax）】N:初次級(jí)匝比Np：初級(jí)匝數(shù)Ns:次級(jí)匝數(shù)Vin(min):輸入電壓最小值Dmax:最大占空比Vo:輸出電壓Vd:輸出整流管的導(dǎo)通壓降3.最大占空比Dmax的計(jì)算Dmax=Vor/Vin(min)+Vor其中：Vor=N*（Vo+Vd）Vor:為次級(jí)輸出電壓的反射電壓，疊加在MOS管的漏極D上。N：為初次級(jí)匝比Dmax：一般小于0.5，要留有裕量，取0.4-0.45之間為宜，此計(jì)算公式只為反向驗(yàn)證使用。4.初級(jí)匝數(shù)Np的計(jì)算Np=【Vin(min)*Ton】/【Ae*Bm】=【Vin(min)*Dmax】/【Ae*Bm*F】

Ton：Ton=D*T（T為高頻變壓器的實(shí)際工作周期,D為實(shí)際工作時(shí)的占空比。）

Bm

：工作磁通密度（工作磁通密度Bm應(yīng)該在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求之內(nèi)，Bm<Bs-Br,以避免磁芯出現(xiàn)飽和。為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和，預(yù)留一定裕量，如取Bm=ΔBmax*0.6=0.198T取0.2T）

F：高頻變壓器的實(shí)際工作頻率

其中：T=1/F5.初級(jí)峰值電流Ipk的計(jì)算Ipk=【2Vo*Io】/【§*Vin(min)*Dmax】Vo：輸出電壓

Io：輸出電流§：電源能量轉(zhuǎn)換效率初級(jí)平均電流怎么計(jì)算？（在計(jì)算線徑時(shí)會(huì)用到）6.初級(jí)電感量Lp的計(jì)算以下公式假設(shè)電源工作在斷續(xù)模式（DCM模式下）Lp=【Vin(min)*Dmax】/【Ipk*F】=【Vin(min)*Ton】/IpkDCM模式有Po=0.5Lp*Ipk2*F*η.(應(yīng)用意義)連續(xù)模式的Ipk會(huì)有所不同。以下為連續(xù)模式（CCM）下的理論計(jì)算公式Lp=【Vin(min)*Dmax】/【Ipk*F】=【Vin(min)*Ton】/Ipk其中：Ipk=Ip2-Ip1=Krp*Ip2Ip1=Ip2*(1-Krp)Ip2：變壓器峰值電流。Ip1：變壓器起始電流。關(guān)于電流脈動(dòng)系數(shù)Krp的選?。篕rp:電流脈動(dòng)系數(shù)（安全系數(shù)）Krp的取值根據(jù)輸入電壓的范圍來確定選擇Krp值就能設(shè)定開關(guān)電源的工作模式.由Ip1=Ip2*(1-Krp)可以得出：

Krp=1-Ip1/Ip2（0＜Krp≤1）關(guān)于Krp的選?。篋CM斷續(xù)模式Krp=1.0;(斷續(xù)模式Ip1=0)CCM連續(xù)模式Krp=0.4--1.0.對(duì)于85～265V寬范圍輸入或230V固定輸入的交流電壓：選擇Krp=0.6～1.0比較合適。（源自互聯(lián)網(wǎng)）什么是開關(guān)電源的DCM與CCM？開關(guān)電源的CCM和DCM狀態(tài)是指：

高頻開關(guān)變壓器次級(jí)線圈中感應(yīng)到的磁化電流，即輸出電流。磁化電流的非連續(xù)狀狀DCM：Toff>次級(jí)電感與輸出電壓之比再除以次級(jí)峰值電流。磁化電流的連續(xù)狀狀CCM：Toff≤次級(jí)電感與輸出電壓之比再除以次級(jí)峰值電流。

DCM與CCM模式的選取DCM為電流斷續(xù)模式,CCM為電流連續(xù)模式,在對(duì)紋波要求較高時(shí)可以考慮用CCM模式，但同等條件下轉(zhuǎn)換效率較DCM低些。DCM模式的轉(zhuǎn)換效率更高些，屬于能量完全轉(zhuǎn)換,但同時(shí)紋波較CCM要高.應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。一般來說低電壓工作在CCM模式,高電壓工作在DCM模式比較好。DCM與CCM模式的選取同一個(gè)電源只能工作于一種模式。因?yàn)槟軌蚴笵CM穩(wěn)定的環(huán)路是不可能在電源進(jìn)入CCM時(shí)保持穩(wěn)定的。DCM變壓器計(jì)算時(shí)也會(huì)留下充足余量以保證即使最壞情況也還會(huì)有充足余量使電源不進(jìn)入CCM模式。DCM與CCM模式的選取請(qǐng)問一下，開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)中我看到連續(xù)模式和不連續(xù)模式這兩個(gè)模式怎樣選取？如果是小功率的，比如輸出只有1A，就斷續(xù)模式，這樣對(duì)元器件的要求比較低，比如副邊二極管沒有反向恢復(fù)的問題，可以選用耐壓比較低的肖特基，但MOS管的峰值電流相對(duì)較大。如果是大功率的電流比較大，比如3A，你可以設(shè)計(jì)成連續(xù)模式，這樣輸出紋波比斷續(xù)模式要小，效率要高些，MOS管的峰值電流相對(duì)較小,但存在副邊二極管的反向恢復(fù)問題當(dāng)然我這里說的1A、3A電流也不是太大，具體要看自己的需要。7.次級(jí)匝數(shù)Ns及IC供電繞組Nf的計(jì)算Ns=Np/NNf=【Ns*（Vcc+Vd1）】/(Vo+Vd2)Vd1,Vd2為整流二極管或肖特基的正向?qū)▔航担话銥?.4-2V之間。

8.初次級(jí)線徑r的計(jì)算

I=3.14*r*r*J

電流以初次級(jí)的平均電流為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

導(dǎo)線截面（直徑）決定于繞組的電流密度。通常取J為2.5～5A/mm2。導(dǎo)線直徑的選擇還要考慮趨膚效應(yīng)。如必要，還要經(jīng)過變壓器溫升校核后進(jìn)行必要的調(diào)整。什么是導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)？交變電流通過導(dǎo)體時(shí)，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布不均勻，愈近導(dǎo)體表面電流密度越大，這種現(xiàn)象稱“趨膚效應(yīng)”。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體的有效電阻增加。頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著。當(dāng)頻率很高的電流通過導(dǎo)線時(shí)，可以認(rèn)為電流只在導(dǎo)線表面上很薄的一層中流過，這等效于導(dǎo)線的截面減小，電阻增大。為了削弱趨膚效應(yīng)，在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細(xì)導(dǎo)線編織成束來代替同樣截面積的粗導(dǎo)線，這種多股線束稱為辮線。關(guān)于變壓器的溫升問題做溫升實(shí)驗(yàn)時(shí)元器件的溫度不能超過多少，像變壓器，MOS管，二極管等，有沒有什么標(biāo)準(zhǔn)？不能一概而論,變壓器主要看漆包線的耐溫等級(jí),磁芯的居里點(diǎn),半導(dǎo)體器材主要看允許的工作結(jié)溫。像變壓器B級(jí)的在環(huán)境溫度25度時(shí)，溫升不能超過105度，像安規(guī)就有溫升要求的。各種電源標(biāo)準(zhǔn)都不一樣，如果是電力電源通信電源等一些大功率電源，一般磁性元件溫升不超過80度，功率器件不超過90度，小DC/DC模塊電源一般不超過100度。（以上源自互聯(lián)網(wǎng)）開關(guān)電源的難點(diǎn)：變壓器設(shè)計(jì)及功率器件選型變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)及功率器件參數(shù)選擇，散熱設(shè)計(jì)，留一定的裕量等。過各個(gè)地區(qū)或國家的認(rèn)證如UL,CE,PSE,CCC等。過EMC認(rèn)證（包括EMI和EMR）

EMI:電磁輻射EMR:電磁傳導(dǎo)各種電源的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（供參考查閱之用）安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（需了解，方便以后查閱）以TM5101為例分析開關(guān)電源的相關(guān)波形波形分析Vcs（DCM）波形分析Vcs（CCM）波形分析Vds波形分析Vgs輸出整流管兩端重要的一點(diǎn)：以上理論計(jì)算公式對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)開關(guān)電源變壓器具有指導(dǎo)意義，但絕不要依