鉅大LARGE | 點擊量：2869次 | 2020年05月25日
反激式開關(guān)電源變壓器是這么計算的
反激變換器的重要參數(shù)通常是由反激式變壓器決定的，同時它也是反激開關(guān)電源的核心部分。設(shè)計反激式變壓器時，讓反激式開關(guān)電源工作在一個合理的工作點上尤為重要，原因在于，這樣不僅可以讓其發(fā)熱盡量減小，而且對器件的磨損也會相應(yīng)減小。也就是說，在芯片和磁芯等同的情況下，變壓器假如設(shè)計不合理，則會導(dǎo)致整個開關(guān)電源的性能出現(xiàn)大幅度下降，比如如損耗的新增和最大輸出功率的下降，那么，本文就將對如何計算出最合理的反激式變壓器其方法進(jìn)行詳解。
計算變壓器的最初，就要先選定一個工作點，這個點也就是最低的交流輸入電壓，對應(yīng)于最大的輸出功率。
輸入85V到265V、輸出5V、2A的電源、開關(guān)頻率是100KHZ：
第一步，選定原邊感應(yīng)電壓VOR，這個值是由自己來設(shè)定的，這個值就決定了電源的占空比。可能朋友們不理解什么是原邊感應(yīng)電壓，原邊感應(yīng)電壓其實是一個典型的單端反激式開關(guān)電源，其工作周期可以理解為，當(dāng)開關(guān)管開通的時候，原邊相當(dāng)于一個電感，電感兩端加上電壓，其電流值不會突變，而線性的上升，有公式上升了的I=Vs*ton/L，這三項分別是原邊輸入電壓、開關(guān)開通時間和原邊電感量。在開關(guān)管關(guān)斷的時候，原邊電感放電，電感電流又會下降，同樣要尊守上面的公式定律，此時有下降了的I=VOR*toff/L，這三項分別是原邊感應(yīng)電壓（放電電壓）、開關(guān)管關(guān)斷時間和電感量。在經(jīng)過一個周期后，原邊電感電流的值會回到原來，不可能會變，所以，有VS*TON/L=VOR*TOFF/L,，上升了的等于下降了的，上式中可以用D來代替TON，用1-D來代替TOOF，移項可得，D=VOR/(VOR+VS)。此即是最大占空比了。本文選定感應(yīng)電壓為80V、VS為90V，則D=80/(*80+90)=0.47
第二步，確定原邊電流波形的參數(shù)
原邊電流波形有三個參數(shù)：平均電流、有效值電流、峰值電流。首先要了解原邊電流的波形，原邊電流的波形如下圖所示，這是一個梯形波橫向表示時間，縱向表示電流大小，這個波形有三個值：一是平均值；二是有效值；三是其峰值，平均值就是把這個波形的面積再除以其時間，如下面那一條橫線所示。首先要確定這個值，這個值是這樣算的，電流平均值=輸出功率/效率*VS，因為輸出功率乘以效率就是輸入功率，然后輸入功率再除以輸入電壓就是輸入電流，這個就是平均值電流。現(xiàn)在下一步就是求那個電流峰值，尖峰值是多少呢，這個我們自己還要設(shè)定一個參數(shù)，這個參數(shù)就是KRp，所謂KRp，就是指最大脈動電流和峰值電流的比值這個比值下圖分別是最大脈動電流和峰值電流。是在0和1之間的。這個值很重要。已知了KRp，現(xiàn)在要解方程了，已知這個波形一個周期的面積等于電流平均值*1，這個波形的面積等于，峰值電流*KRp*D+峰值電流*(1-KRp)*D，所以有電流平均值等于上式，解出來峰值電流=電流平均值/(1-0.5KRp)*D。比如說我這個輸出是10W，設(shè)定效率是0.8.則輸入的平均電流就是10/0.8*90=0.138A，我設(shè)定KRp的值是0.6而最大值=0.138/(1-0.5KRp).D=0.138/(1-0.5*0.6)*0.47=0.419A。
第四步，選定變壓器磁芯，這個就是憑相關(guān)經(jīng)驗了，假如不會選計算就行了，
第五步，計算變壓器的原邊匝數(shù),原邊使用的經(jīng)徑。
計算原邊匝數(shù)的時候，要選定一個磁芯的振幅B，即這個磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化區(qū)間，因為加上方波電壓后，這個磁感應(yīng)強(qiáng)度是變化的，正是因為變化，所以才有了變壓的用途，Np=VS*TON/SJ*B，這幾個參數(shù)分別是原邊匝數(shù)、最小輸入電壓、導(dǎo)通時間、磁芯的橫節(jié)面積和磁芯振幅，一般取B的值是0.1到0.2之間，取得越小，變壓器的鐵損就越小，但相應(yīng)變壓器的體積會大些。這個公式來源于法拉弟電磁感應(yīng)定律,這個定律是在一個鐵心中，當(dāng)磁通變化的時候，其會出現(xiàn)一個感應(yīng)電壓，這個感應(yīng)電壓=磁通的變化量/時間T再乘以匝數(shù)比,把磁通變化量換成磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量乘以其面積就可以推出上式來，Np=90*4.7微秒/32平方毫米*0.15,得到88匝0.15是選取的值，算了匝數(shù)，再確定線徑，一般來說電流越大線越熱，所以要的導(dǎo)線就越粗，要的線徑由有效值來確定，而不是平均值。上面已經(jīng)算得了有效值，所以就來選線，用0.25的線就可以，用0.25的線，其面積是0.049平方毫米，電流是0.2安，所以其電流密度是4.08，一般選定電流密度是4到10安第平方毫米。若是電流很大，最好采用兩股或是兩股以上的線并繞，因為高頻電流有趨效應(yīng)，這樣可以比較好。
第六步，確定次級繞組的參數(shù)、圈數(shù)和線徑。
原邊感應(yīng)電壓，就是一個放電電壓，原邊就是以這個電壓放電給副邊的，看上邊的圖，因為副邊輸出電太為5V，加上肖特基管的壓降，就有5.6V，原邊以80V的電壓放電，副邊以5.6V的電壓放電，那么匝數(shù)是多少呢？當(dāng)然其遵守變壓器那個匝數(shù)和電壓成正比的規(guī)律，所以副邊電壓=NS*(UO+UF)/VOR，其中UF為肖特基管壓降，這個副邊匝數(shù)等于88*5.6/80，得6.16,整取6匝，再算副邊的線徑，當(dāng)然也就要算出副邊的有效值電流，下圖是副邊電流的波形，有突起的時間是1-D，沒有突起的是D，剛好和原邊相反，但其KRp的值和原邊相同，這個峰值電流就是原邊峰值電流乘以其匝數(shù)比，要比原邊峰值電流大數(shù)倍。
第七步，確定反饋繞組的參數(shù)。
反饋是反激的電壓，其電壓是取自輸出級的，所以反饋電壓是穩(wěn)定的，TOp的電源電壓是5.7到9V，繞上7匝，那么其電壓大概是6V多，反饋電壓是反激的，其匝數(shù)比要和幅邊對應(yīng)，至于線，因為流過其的電流很小，所以就用繞原邊的線繞就可以了，無嚴(yán)格要求。第八步，確定電感量。
原邊的電流上升公式I=VS*TON/L.因為已經(jīng)從上面畫出了原邊電流的波形,這個I就是:峰值電流*KRp，所以L=VS.TON/峰值電流*KRp，這就確定了原邊電感的值。
第九步，驗證設(shè)計，即驗證一下最大磁感應(yīng)強(qiáng)度是不是超過了磁芯的允許值，有BMAX=L*Ip/SJ*Np，這五個參數(shù)分別表示：磁通最大值、原邊電感量、峰值電流、原邊匝數(shù)，這個公式是從電感量L的概念公式推過來的，因為L=磁鏈/流過電感線圈的電流，磁鏈等于磁通乘以其匝數(shù)，而磁通就是磁感應(yīng)強(qiáng)度乘以其截面積，分別代入到上面，即當(dāng)原邊線圈流過峰值電流時，此時磁芯達(dá)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，這個磁感應(yīng)強(qiáng)度就用以上公式計算.BMAX的值一般一要超過0.3T,若是好的磁芯可以大一些；若是超過了這個值，就可以新增原邊匝數(shù)或是換大的磁芯來調(diào)。
小結(jié)：
設(shè)計高頻變壓器，有幾個參數(shù)要自己設(shè)定，這幾個參數(shù)就決定了開關(guān)電源的工作方式，第一是要設(shè)定最大占空比D，這個占空比是由你自己設(shè)定的感應(yīng)電壓VOR來確定；再就是設(shè)定原邊電流的波形，確定KRp的值，設(shè)計變壓器時，還要設(shè)定其磁芯振幅B，這又是一個設(shè)定，所有這些的設(shè)定，就讓這個開關(guān)電源工作在你設(shè)定的方式下了，最后還要不斷的調(diào)整，工作在一個對你來說最好的狀態(tài)下，這就是高頻變壓器的設(shè)計任務(wù)。
公式D=VOR/(VOR+VS)(1)
IAVE=p/效率*VS(2)
Ip=IAVE/(1-0.5KRp)*D(3)
I有效值=電流峰值*根號下的D*(KRp的平方/3-KRp+1)(4)
Np=VS*TON/SJ*B(5)
NS=Np*(VO+VF)/VOR(6)
L=VS.TON/Ip.KRp(7)
BMAX=L*Ip/SJ.Np(8)
不過總的來說，高頻變壓器是一個比較復(fù)雜的東西，本文短短的篇幅在此不足以說明，在計算時務(wù)必要注意各個參數(shù)之間的聯(lián)系，因為是一個整體，多分析、多思考，想必大家就會精通。
