反激式是目前比較主流的一種變壓器設(shè)計(jì)方法，很多新手都通過反激電源的制作來熟悉電源設(shè)計(jì)，目前網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于反激變壓器的學(xué)習(xí)資料五花八門且比較零散，本文就將對(duì)反激變壓器的設(shè)計(jì)分段進(jìn)行從頭到尾的梳理，將零散的知識(shí)進(jìn)行整合，并配上相應(yīng)的分析，幫助大家盡快掌握。

 

本篇文章將要為大家介紹的是反激變壓器中臨界模式的計(jì)算方法及分析。

 

 

交流輸入范圍：176～265VAC

 

輸出電壓電流：12V2A

 

工作溫度：-25～+55℃

 

 

這是一個(gè)很常見的技術(shù)規(guī)格，我們拿到產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書時(shí)至少需要做到兩點(diǎn)：

 

 

產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合決定了最終的設(shè)計(jì)方案，這需要跟公司內(nèi)部人員（如果是自用）或者客戶（定制類產(chǎn)品）充分溝通。如果是通用競(jìng)爭(zhēng)性型產(chǎn)品，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案往往不是由你個(gè)人來制定的，需要密切關(guān)注行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（動(dòng)向）以及自身的產(chǎn)品定位，例如程工、拒絕變帥他們發(fā)布的大量設(shè)計(jì)方案、觀點(diǎn)，這些都是你要關(guān)注的內(nèi)容。

 

 

如果產(chǎn)品是低成本應(yīng)用，你一上來方案就高端大氣上檔次，結(jié)果可想而知，反之亦然。有些人用少量的濾波器就能通過EMC測(cè)試，有些人用很小的變壓器就能夠輸出很大的功率，有些人能夠獲得極高的效率……….一幕幕著實(shí)讓人熱血沸騰。這個(gè)時(shí)候需要保持清醒的頭腦，你需要考慮自己的經(jīng)驗(yàn)是否足夠，產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合是否一致，成本是否可以接受，公司的生產(chǎn)工藝是否達(dá)到某些特定的要求，物料采購是否通用、流暢。

 

方案論證時(shí)，需要全面考慮，多問問自己，還有沒有沒想到的地方。特別是小批量的自用產(chǎn)品，你更多的是需要考慮公司庫存、采購環(huán)節(jié)、后續(xù)其它產(chǎn)品應(yīng)用方面的非技術(shù)問題。之所以一直強(qiáng)調(diào)應(yīng)用場(chǎng)合，是因?yàn)閷I(yè)生產(chǎn)電源的公司，不管公司大小出錯(cuò)的概率較小。而非專門生產(chǎn)電源的公司，初學(xué)者很難獲得足夠的技術(shù)支持，在各方面的條件還達(dá)不到的情況下，盲目跟隨往往得不償失。

 

 

較為常見的開關(guān)頻率一般是65KHZ、100KHZ、132KHZ，當(dāng)然也有不少變頻模式的芯片，這里暫不考慮。當(dāng)然有不少芯片可以自設(shè)開關(guān)頻率，為了簡(jiǎn)化篇幅，也不再涉及。

 

176～265VAC輸入，12V2A輸出的話。就選擇固定65KHZ的開關(guān)頻率吧。

 

 

Cin的選擇方法見上文分析。176～265VAC輸入，12V2A輸出，選擇22-47uF/400V都是可以的，選擇就選擇47uF。

 

VDCmin=230VDC（此值是用PI的軟件計(jì)算出來的）

 

需要關(guān)注以下三點(diǎn)：

 

如果是工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用，不要選擇400VDC的耐壓；

 

HVDC的紋波電壓不要超過70V，176VAC輸入，也就是VDCmin≥180VDC；

 

Cin同樣需要考慮紋波電流，不過似乎多數(shù)人并不考慮。

 

 

本方案中，磁芯選擇常見的EF25磁芯，為了獲得較低的磁芯溫升，盡量把BAC控制在1000-2000GS之間。

 

磁芯的選擇是門大學(xué)問，有什么KG法、KP法。但我個(gè)人的感覺反激變壓器采用這兩種方法并不實(shí)用。我建議采用磁芯的Ve或者是重量來計(jì)算比較合適，詳見《開關(guān)電源設(shè)計(jì)與優(yōu)化》，P184、P184的例子，采用EF25磁芯，100KHZ時(shí)輸出功率30W。這意味著我們現(xiàn)在65KHZ只能輸出20W（30W*65/100）。盡管頻率固定，但反激變壓器的輸出功率是可以在一個(gè)較大的范圍內(nèi)“波動(dòng)”，沒有精確值！

 

那么開關(guān)頻率選擇65KHZ時(shí)，EF25磁芯的輸出功率能否“波動(dòng)”到30W以上呢?答案是肯定的。關(guān)鍵點(diǎn)在于線徑、KRP、TON的選擇，更不用說更換磁芯材質(zhì)、采用三重絕緣線。采用較小的磁芯輸出較大的功率，理論的分析很重要，但更重要的是你原意付出辛苦的汗水。對(duì)于常規(guī)技術(shù)指標(biāo)，建議采用常見的低成本磁芯就可以了，如EE、EI、EF、EER，對(duì)于非常規(guī)的技術(shù)指標(biāo)，低成本磁芯往往滿足不了某些特別的技術(shù)要求，如體積的、漏感的、絕緣耐壓的、高度的、占用面積的，需要靈活選用。

 

效率的估算很麻煩，需要足夠的經(jīng)驗(yàn)來完成。值得慶幸的是，小功率產(chǎn)品，效率這個(gè)指標(biāo)，對(duì)變壓器參數(shù)的影響并不明顯。如果真的不知道如何估算效率，我建議不管輸出電壓電流為多少，50W以下的產(chǎn)品，最好全部按照85%來計(jì)算。盡管不太科學(xué)，但是非常實(shí)用。

 

 

先給出一些與Dmax相關(guān)的現(xiàn)象：

 

Dmax與VDCmin、溫度密切相關(guān)；

 

Dmax其實(shí)就是反射電壓（UOR），決定了MOS管的電壓裕量；

 

Dmax是最大占空比，但是Dmax與KRP決定了最小占空比（空載時(shí)非降頻芯片）；

 

Dmax決定了磁芯損耗；

 

Dmax取值過大，變壓器原邊可能繞不下；

 

Dmax取值過小，變壓器次邊可能繞不下；

 

Dmax可以改變LP、IP、漏感……

 

反激變壓器的KRP、Dmax需要花大力氣研究，下面開始計(jì)算。

 

已知VDCmax=375VDC，假設(shè)MOS管的耐壓限值為600V，電壓裕量流出50V，那么：

 

600V-50V-375V=175V

 

175V指的是UOR加上尖峰電壓，如果選擇UOR見本貼的一些方法，如何降低UOR上的尖峰電壓，見論壇中的相關(guān)帖子。按照經(jīng)驗(yàn)，如果變壓器漏感控制較好，可以獲得50V左右的尖峰電壓，也就是UOR應(yīng)該≤175V-50V=125V，UOR取100V左右應(yīng)該是一個(gè)較好的值。

 

當(dāng)然，如果選擇650V、700V的MOS或者集成控制器，UOR的選擇范圍，會(huì)更加靈活。但是較大的Dmax（較高的UOR值），會(huì)相對(duì)有較大的磁芯損耗。

 

采用QR模式設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)選擇較大Dmax，采用650～800V的MOS，這是為了盡可能的降低開關(guān)損耗，另外改善空載特性，見相關(guān)文獻(xiàn)資料。

 

本例子中，我們選擇UOR=100VDC，即：

Vdson是MOS管的導(dǎo)通壓降，可以不考慮。

 

 

臨界模式的計(jì)算公式非常簡(jiǎn)單，只需要在公式中代入上述參數(shù)即可。

 

已知VDCmin=230VDC，輸出電壓電流12V2A，開關(guān)頻率65KHZ（T=15.4us），采用EF25磁芯，BAC控制在1000～2000GS之間，UOR取100VDC，TON=T*Dmax=4.6us，采用臨界模式設(shè)計(jì)（即KRP=1.00）。

公式還是那個(gè)公式，但為什么會(huì)是這樣的？

 

現(xiàn)在都是已知量了，直接V*TON/AE*BAC不就可以得出NP嗎？

 

需要告訴一些新手，其實(shí)不是這樣。計(jì)算到了這一步，變壓器的設(shè)計(jì)就變得非常關(guān)鍵。

 

我們已經(jīng)知道，初級(jí)有效電流為0.26A，如果原邊線徑的電流密度取4～6A/mm²，那么原邊大概需要0.043～0.065mm²的導(dǎo)線，從下表可以選擇合適線徑：

表一國(guó)內(nèi)外漆包線規(guī)格

 

查表得知，對(duì)于0.26A的有效電流，取AWG29～AWG31會(huì)是比較好的選擇，對(duì)應(yīng)的公制線徑大概是0.25～0.35mm的普通漆包線。

表二EF25磁芯參數(shù)

表三EF25骨架參數(shù)

 

從表三中得知，EF25骨架的幅寬大概是15.2mm，計(jì)算時(shí)我們可以取整數(shù)15mm。

 

已知EF25磁芯的AE=51.8mm²，VDCmin=230VDC，TON=4.6us，那么：

 

當(dāng)BAC=1000GS時(shí)，NP=204T。

 

當(dāng)BAC=2000GS時(shí)，NP=102T。

 

事先沒有核算，貌似匝數(shù)有點(diǎn)多誒!其實(shí)60～80T應(yīng)該比較合適，不過沒關(guān)系。

 

也就是如果選擇EF25磁芯，那么我們需要在15mm*2（假設(shè)NP設(shè)置為兩層）的骨架上繞制100～200T。

 

根據(jù)表一可知，AWG31漆包線大約每厘米可以繞制37.7T（即37.7T/cm），37.7T/cm*1.5cm=56.5T。

 

去掉6.5T，取整數(shù)50T，如果取值過于極限，工廠沒辦法生產(chǎn)（到底去掉幾匝，建議你們聽取供應(yīng)商的建議，以繞滿為準(zhǔn)）；

 

為了計(jì)算方便，NP沒有考慮擋墻寬度，不過次級(jí)你可以采用三重絕緣線。NP已經(jīng)“計(jì)算”計(jì)算出來了，剛好100T，擬采用AWG31漆包線平鋪兩層，每層50T。UOR已知為100VDC，我們可以直接用UO、NP獲得NS。

 

匝數(shù)比=UOR/（12V+0.5V）=8

 

NS=NP/8=100V/8=12.5T

 

NS計(jì)算值為12.5T，為了繞制方便，我們?nèi)S=12T。

 

需要強(qiáng)調(diào)的是，NS選擇線徑時(shí)，同樣需要計(jì)算處次級(jí)有效電流，根據(jù)電流密度取T/cm值。

 

次級(jí)峰值電流：ISP=IP*8=0.82A*8=6.5A

 

次邊有效電流：

次級(jí)有效電流為3.1A，如果電流密度取4～6A/mm²，大概需0.5mm²截面積的漆包線。

 

次級(jí)同樣需要?jiǎng)偤脻M足平鋪，但次級(jí)線徑的可選項(xiàng)有很多，例如次級(jí)可以采用多股線繞制。為了計(jì)算方便，我們次級(jí)同樣采用普通的漆包線，也不要擋墻了。

 

查表得知，AWG20（0.80mm）漆包線同樣滿足截面積要求，但是AWG20線為11.6T/cm，不滿足平鋪要求。如果采用雙股線，那么一層需要繞制12T*2=24T，查表得知，AWG24漆包線似乎是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，16.3T/cm*1.5=24.5T（去掉0.5T，如果繞不下，再降低一個(gè)規(guī)格即可），雙股AWG24漆包線截面積為0.246*2=0.49mm²，剛好合適。

 

VCC繞組的計(jì)算不多述，在這里給出一個(gè)思考題。次級(jí)紋波電流是選擇輸出電容的主要依據(jù)，如何來計(jì)算?

 

磁芯選了，NP、NS、LP及初次級(jí)的電流應(yīng)力也計(jì)算出來了，但是還沒有完成，需要仔細(xì)核算電壓應(yīng)力、磁芯的氣隙。

 

至此我們對(duì)反激變壓器的磁芯進(jìn)行了選擇，并對(duì)一些相關(guān)的參數(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算。下面的就要對(duì)電壓應(yīng)力，磁芯的氣隙等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步核算，小編將在下一篇文章當(dāng)中為大家?guī)磉@些參數(shù)的計(jì)算。