反激電源變壓器設(shè)計(jì)(二)

在上一篇文章中我們講述了反激電源變壓器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，本文將詳細(xì)講述反激電源變壓器在固定頻率下連續(xù)電流模式的設(shè)計(jì)過程，這是一個(gè)反復(fù)迭代至最終滿意的過程。變壓器設(shè)計(jì)過程中，我們主要考察其磁芯是否飽和，磁芯損耗是否可以接受，繞線電流是否符合要求等等。

確定MOSFET的漏源極電壓Vds

首先確認(rèn)開關(guān)管MOSFET的漏源極電壓Vds，有些小功率的電源芯片可能已經(jīng)將MOSFET集成在內(nèi)部，一般而言600V左右的MOSFET是最常見的，價(jià)格也適中。國(guó)產(chǎn)的昂寶或者芯朋微等電源廠商現(xiàn)在也有能做到高達(dá)800V的芯片，可根據(jù)實(shí)際情況確定。本文以600V為例進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

確定變壓器匝數(shù)比

我們知道反激電源在開關(guān)管斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰，如圖1所示，這是因?yàn)樽儔浩鞔嬖诼└?。因此，在?shí)際的電路設(shè)計(jì)中都會(huì)使用RCD鉗位電路，示意如圖2所示，Llk表示變壓器的漏感。

圖1

圖2

考慮到器件的降額，Vds電壓可以選取80%~90%，尖峰電壓我們可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大概設(shè)定在50~80V之間，然后結(jié)合最大輸入電壓，帶入上式即可得到變壓器的匝數(shù)比。

確定占空比

反激電源是從升降壓拓?fù)溲葑兌鴣?，最低輸入電壓是電源工作的最惡劣工況。

根據(jù)變壓器初級(jí)側(cè)電感的伏秒平衡原則，可得下式，

這是效率為100%時(shí)的理論占空比，我們可以進(jìn)一步計(jì)算得到相對(duì)更加精確的占空比。

由于我們知道電源的輸出功率Po和輸出電壓Vo，因此，可以得到輸出的負(fù)載電流Io，

確定電流波形

在設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以設(shè)定連續(xù)電流模式的電流紋波率r為0.5，作為迭代的初始條件。因此，可得初級(jí)側(cè)電流紋波，

然后，初級(jí)側(cè)電流乘以匝數(shù)比，就能得到次級(jí)側(cè)的電流值。

確定原邊側(cè)電感值

確定磁芯

磁芯很多時(shí)候都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行選擇，網(wǎng)絡(luò)或者相關(guān)書籍也有一些評(píng)估公式可供參考，

根據(jù)上式得到初步的磁芯體積后，就可以根據(jù)磁芯規(guī)格參數(shù)表來初步選擇磁芯了。

磁芯體積為等效磁芯橫截面積乘以磁路有效長(zhǎng)度，

確定繞組匝數(shù)

根據(jù)選擇的磁芯材料確定最大磁通密度，以常用的PC40來說，我們一般設(shè)置最大不超過0.3T，計(jì)算得到初級(jí)匝數(shù)，然后除以匝數(shù)比就得到了次級(jí)匝數(shù)。

確定氣隙

由于匝數(shù)和電感值均為已知，因此可以計(jì)算出AL值，繼而計(jì)算出氣隙長(zhǎng)度lg。

至此，第一輪的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)全部得出，但是這并不意味著設(shè)計(jì)工作已經(jīng)結(jié)束，前面我們說過變壓器的設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)迭代的過程，根據(jù)上述這些計(jì)算結(jié)果，接下來我們需要驗(yàn)證電流密度是否過大，變壓器繞線的線徑該如何選擇，磁芯損耗是否過大，然后反過來更改電感值進(jìn)行迭代直至最終所有參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

趨膚效應(yīng)

在確定繞組線徑的過程中，我們需要考慮高頻下的趨膚效應(yīng)，先計(jì)算出趨膚深度為多少，

我們應(yīng)該控制導(dǎo)線線徑小于2倍的趨膚深度。

注意，在求線徑的時(shí)候應(yīng)該使用電流的有效值進(jìn)行計(jì)算。

磁芯損耗

在得到各個(gè)輸入電壓下對(duì)應(yīng)的電流波形后，我們可以計(jì)算出各輸入電壓工況下對(duì)應(yīng)的磁通密度，然后得到磁通擺幅差值，再結(jié)合開關(guān)頻率，查找對(duì)應(yīng)磁芯材料的規(guī)格書可得到單位體積的磁芯損耗，再乘以磁芯體積進(jìn)一步得到總的磁芯損耗，從而可以確認(rèn)磁芯損耗是否過大。

上述的所有計(jì)算都是假定變壓器工作在連續(xù)電流模式下的，但是當(dāng)負(fù)載電流變小時(shí)，變壓器是可能進(jìn)入斷續(xù)電流模式的。在此情況下，有些參數(shù)值的計(jì)算公式就會(huì)有所不同，需要相應(yīng)地進(jìn)行更改。

根據(jù)上文可知，連續(xù)模式下的電流是梯形波，斷續(xù)模式下的電流是三角波，因此我們可以根據(jù)這點(diǎn)來進(jìn)行判斷當(dāng)前的工作模式，在梯形波時(shí)，電流斜坡中心值大于電流紋波值的一半，即，

以此作為判斷變壓器工作模式的條件。

因此，最好的方法是將這些計(jì)算公式使用excel表格來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)加入判斷變壓器進(jìn)入斷續(xù)模式的條件，自動(dòng)切換對(duì)應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算，迭代也方便，如下圖3所示是本人自行編制使用的表格，整體格式雖不是很整齊美觀，但使用起來很方便，省去手動(dòng)計(jì)算的麻煩。當(dāng)然現(xiàn)在很多電源廠商都有成熟的自動(dòng)化工具，例如TI的WEBENCH，但是個(gè)人感覺還是需要自己了解背后的原理，會(huì)自己手動(dòng)計(jì)算，再使用自動(dòng)化計(jì)算工具才算真正掌握。