绝缘型反激式转换器电路设计:变压器设计(数值计算)

反激式转换器必要的变压器设计时,依据电源规格,算出变压器设计上必要的数值开始。基本上利用各自的公式进行计算。变压器的相关设计信息,会写在该设计所使用的IC1的BM1P061FJ的应用备忘录上面,设计时可以多参考看看。在这里,说明电路图的局部放大帮助大家更容易了解内容。整个电路请参照“设计范例电路”。

本电路图摘录自范例电路中的变压器T1部分。变压器T1除了输入的初级绕组Np和输出的次级绕组Ns外,还包含IC1产生VCC电压的线圈Nd在内。

acdc851_01

变压器T1的设计步骤
设计变压器T1时的步骤所示如下。依下列顺序计算出数值,并导出下表变压器的参数。绕组和流动电流的记号,请参照右下方的变压器简略图。

acdc851_08

①反激式电压VOR的设定
②次级绕组电感值Ls、二次侧的最大电流Ispk的计算
③初级绕组电感值Lp、一次侧的最大电流Ippk的计算
④变压器尺寸的决定
⑤初级绕组数Np的计算
⑥次级绕组数Ns的计算
⑦VCC绕组数Nd的计算

作为变压器T1参数导出值

铁芯 尺寸
Lp 电感值
Np 匝数
Ns 匝数
Nd 匝数

① 反激式电压VOR的设定

反激式电压VOR数值是VO(二次侧Vout加上二次侧二极管D6的VF)乘上变压器的匝数比Np:Ns。设定该反激电压VOR,来决定匝数比Np:Ns及Duty比值。基本公式和示例如下。

acdc851_formulas01

例如,匝数比Np:Ns为5.385、Duty(max)将是0.424。根据经验法则,Duty(max)以低于0.5较佳。如果,计算后Duty超过0.5时,请调整VOR。

如果从反激式转换器的工作原理来看,为了让施加在初级绕组的开关用晶体管Vds,也就是VIN+VOR更加明确,而从设定反激式电压VOR开始。另外,一开始也能够采用例如先设定最大Duty比等其他方法。

关于反激式电路的工作和各电压的详细,请参考“反激式转换器的基本电路和特征”的“PWM控制反激式转换器的工作(连续模式)”等项目。

② 次级绕组电感值Ls、二次侧的最大电流Ispk的计算

接着,计算次级绕组电感值Ls和二次侧的最大电流Ispk。以下公式成立在本范例电路为不连续模式这种条件下,相等时刻即是临界点(连续模式和不连续模式的分歧点)。负载电流达到Iomax时也为临界点。

考虑过负载保护点的余量,最大负载电流是Iout的1.2倍。Iout规格为3A,因此Iomax设定为3.6A。Vout=的规格为12V,VF和Duty使用经由公式①计算出来的数值。

acdc851_formulas02

经由上述公式,计算次级绕组电感值Ls=8.6μH,以及二次侧的最大电流Ispk=12.5A。另外,也提供一次侧电流波形和二次侧电流波供各位参考。

③ 初级绕组电感值Lp、一次侧的最大电流Ippk的计算

依照以下的公式,代人上述的计算结果,计算出初级绕组电感值Lp和一次侧的最大电流Ippk。

acdc851_formulas03

在这里,计算出来的Lp将作为变压器T1的参数导出值之一。

④ 变压器尺寸的决定

变压器铁芯的尺寸是根据输出功率Po(W)来决定。反激式转换器一般输出功率,和铁芯尺寸之间的关联性如下表所示。在本设计范例中Po=36W,因此铁芯尺寸选择EER28。

acdc851_06

输出功率Po(W) 铁芯尺寸 铁芯断面积Ae(mm2
~ 30 EI25/EE25 41
~ 60 EI28/EE28/EER28 84

※上述数值为大略标准。详细内容请向变压器厂商确认。

⑤ 初级绕组数Np的计算

初级绕组数Np最初的磁通密度必须设定在容许范围内。请依照下列公式计算。一般的铁氧体铁芯磁通密度B(T)的最大值为0.4T@100℃,所以Bsat=0.35T,代入Lp和Ippk计算初级绕组数Np。

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其次,为了避免引起磁饱和现象,根据AL-Value-NI特性来设定Np。此时,必须要满足Bsat的条件计算公式。

AL-Value=280nH/turns2
acdc851_formulas07

对此,Lp为249μH且绕30圈时,AL-Value为249μH/302≒276.7nH/turns2。

经由下方公式计算出NI值。

acdc851_formulas09

因为已经算出AL-Value和NI,因此可以从EER28铁芯尺寸的AL-Value-NI特性图,确认未超出容许范围。如果超出范围就必须调整Np。

AL-Value-NI特性图

⑥ 次级绕组数Ns的计算

在计算初级绕组之后,继续计算次级绕组数Ns。先前已经算出初级绕组Np为34圈,Np:Ns为5:1,将这些数值代入下列公式内。

acdc851_formulas10

⑦ VCC绕组数Nd的计算

最后计算IC1产生VCC的绕组的匝数。

VCC为15V,从绕组开始经由二极管D6转换成二极管的VF,且VF_vcc为1V时,

acdc851_formulas08

acdc851_08
因而,计算决定变压器的规格的数值。最初加入依照规格表计算出来的数值后,再根据该规格来设计构造。

铁芯 JFE MB3 EER28.5A 或兼容产品
Lp 249 μH
Np 30 圈
Ns 6 圈
Nd 8 圈

整篇读起来会觉得公式非常多,但其实已经算是较为简单的公式,请各位务必试着计算看看。决定大略规格后,可以在获得IC制造厂和变压器厂商协助之下,继续设计变压器。

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