1、反激變壓器設計反激變壓器一半是電感，一半是變壓器。設計步驟與電感相似。隔離的 反激變壓器設計與非隔離反激電感除了沒有次級幾乎一樣。本例設計要求如下：輸入直流電壓48V土 10%輸出功率為10W； 5V/2A） o 開關頻率250kHz。10Wt出時變壓器損耗0.2W （根據變換器希望效率得到總 損耗分配給變壓器的損耗），則變壓器效率應為 98% （0.2/10=2%）。要得到 此效率你得調整磁芯尺寸；如果變壓器比較小，效率降低。你設計反激變壓器初級還需要四個數據：輸出功率（輸出電壓和電流），開關頻率，損耗和輸入電壓（對非隔離反激電感也是如此）以及電感量。如果使用PW肱片UC3845最大占空度為

2、45%最大占空度選擇關系到此反 激變換器是工作在連續還是斷續模式；我們將計算如下。我們的例子的目標 是斷續模式。我們再添一個設計目標，要求變壓器是扁平的，這是因為高度限制。1.反激的方程在每次開關導通前，次級電流已經下降到的工作模式稱為斷續工作模式。 當反激變壓器初級開關閉合時，初級起電感作用。電壓加在初級電感上，電Tr其中：Dma的最大占空度；f為開關頻率；T= 1/f是開關周期。初級電流 波形如圖5-10所示。導通期間存儲在初級的能量為所二U1 . D2LiP f min max每周期傳輸的能量Wi,則傳輸功率為U2. Djmm max2AU2 T Pj nun oumax f ,A &#

3、39; 二萬要滿足，必須在功率管再次導通前次級電流下降到零，即復位時間TR<Toff=T-Ton。輸出平均電流為*27度一般選Ton +TR=(0.80.9)T ,在最低輸入電壓時Tonmax=0.5T所以TRmax=(0.30.4)T 。因為Uo=L2-.金輸出功率p = w fO"rjL)(5-10)將式(5-10)代入式(5-9),并經化簡得到ug'n J或匝比M uotr(5-11a)考慮到最低輸入電壓最大導通時間 Tonmax=0.5TffiTRmax=0.4T ,如果效率刀=0.96,則0531mliM (o.3-o,4)q, u/0,96 = (L63-

4、1,224)-(5-11b)式(5-9)是斷續模式反激變換器基本方程。一旦輸入電壓給定，要增加 輸出功率，你必須要么減少頻率，要么減少電感量，沒有其它選擇。一旦開關頻率選定，要增加輸出功率，你可以做的就是減少電感量。在實際產品中 存在最小電感（應當大于10倍于雜散電感，例如最低應有5 pH）問題，低輸 入電壓時，斷續模式反激變壓器有一個實際最大的傳輸功率，一般在50100W在輸入電壓較低時，你不應當設計大于 50耐反激變換器。雖然有人聲稱在實驗室中能做出5Vft入100慚出，但決不會在生產線上生產。我們假定開關頻率為250kHz （受開關晶體管FM制）。由式（5-9）在最低 輸入電壓時所需要的

5、電感量為 。皿口皿）"（48x0.9x0.45fx0.96豈=；=72.5 lx H1 2。2x250x103x10選擇L1=61pH,由式（5-8）初級電流峰值I1p邛 為 250xl0J x 72.5x102,選擇磁芯材料我們來選擇做電感的磁芯材料。因為開關頻率相當高，我們應選擇鐵氧體； 也可以選擇MPP設計方法是成熟的，重復全部步驟。為了簡化，這里僅考 慮鐵氧體。如果效率相同，鐵氧體設計比 MP體積明顯小。我們已經知道以及(5-12a)C5-12b)式中le-平均磁路長度。由于是電感，需要存儲能量，因此反激變壓器（和 任何采用鐵氧體的電感）總是留有氣隙。因為空氣磁導率比鐵氧體低

6、得多， 氣隙大大地增加了有效磁路長度。帶有氣隙的有效磁路長度為。-13)在許多實際情況下，上式等號后的第二項遠遠大于第一項，rxi s >>le, 所以，可以近似為L = Kh（5T4）注意：這只有在磁芯不飽和時才是正確的。將這個近似代入，我們有Bmax j %如果在鐵氧體（或其它高磁導率材料）上有一個氣隙，在確認磁芯沒有飽 和后，使用式（5-15）計算，可以看到，在不飽和情況下，電感是線性的； 反之，使用式（5-12a）和（5-12b）,當氣隙很小時，記住使用式（5-13） 的有效磁路長度。3 .磁芯選擇為確定對于給定應用是否最好，通常需要比較幾個不同的磁芯形狀。 但對 于我們的

7、設計要求低尺寸的變壓器結構，就不必考慮其它的結構形式。我們 別無選擇的使用EFD（Economic Flat Design ）磁芯；設計完成之后，可以 看到，這個磁芯比其它形式合理。讓我們先選取飛利浦最小EFDt小尺寸磁芯，EFD1Q作為例子，讓它傳輸 10惻率。如果不能，我們再選取大一號尺寸圖All EFD磁芯尺寸瞄心型號曜心尺寸A呂cDEFGHIJKEFD1O10. 55.22.73.75九654-S5L.450.20.20亮3.0±0.3±0.1±0.1± 0.15± 0.25±0.15±0.05±0.1&#

8、177;o-a,l±0.1參考EFD1212.53.54.558.995.42.00.20.2o.s3,5±0.3+ 0.1± 0.15土 0.25±0.15±0-1+ 0,1±0.1±0.1參考4 .選擇材料現在我們選擇磁芯材料。事實上，我們要是參考其它廠家手冊，幾乎有沒 完沒了的材料品種，沒有一種材料兩家相同，如何選擇？參考飛利浦產品手冊表5-5,有好幾種材料提供選擇。我們還是用飛利浦材料來說明。過去不管什么人在功率用總是使用3c6A此材料特性差，而且損耗大；現在標注為 3c80,現在只用在要求低成本才使 用。代替它的是

9、3c8,現在叫做3c81。但是，開關頻率繼續上升，飛利浦開 發新的材料一請記住磁芯損耗隨開關頻率迅速增長，所以今天，有許多功率 磁芯材料，我們可以根據開關頻率進行選擇。所以，這些磁芯只要在規定的頻率范圍， 相同的磁通密度變化率具有相同 的損耗，都可以代用。材料的些微區別因磁芯材料結構的不同，參數的公差就顯得不重要了。我們的反激變換器工作頻率250kHz,看看軟磁鐵氧體材料選擇表（表5-6）, 并推薦使用3F3（或其它生產廠等效材料）。此材料很好，其損耗在相同頻率， 相同磁通密度是3c85勺一半。或者在你讀此書時，又有新的材料。這里對于 我們EFD10勺材料使用3F3M料。所以，這些磁芯只要在規

10、定的頻率范圍， 相同的磁通密度變化率具有相同 的損耗，都可以代用。材料的些微區別因磁芯材料結構的不同，參數的公差就顯得不重要了。我們的反激變換器工作頻率250kHz,看看軟磁鐵氧體材料選擇表（表5-6）, 并推薦使用3F3（或其它生產廠等效材料）。此材料很好，其損耗在相同頻率， 相同磁通密度是3c85勺一半。或者在你讀此書時，又有新的材料。這里對于 我們EFD10勺材料使用3F3M料。表5-6預留氣隙磁芯磁通密度計算4(nH)N6 (cm)100270.00912398.063340.0144317.540430.0226255.825540.0362200.65 .選擇氣隙已經選擇了磁芯的形

11、狀和材料，下面我們選擇氣隙。氣隙不能太小，如果氣隙太小，由于裝配公差影響電感數值，還可能引起磁芯飽和。要控制氣隙達到0.250.5mm是不現實的，因為研磨公差0.0250.05mm。氣隙在0.250.5mm下，你寧可去買預留氣隙磁芯，這種磁芯能保證 AL®,而不是 氣隙尺寸。即使采用預留氣隙磁芯，你還必須當心氣隙變化多大：裝配的膠將增加氣 隙長度（特別是由于膠增加的長度每個磁芯之間可能不同），同時，如果是 罐型磁芯，可能膨脹開來。要是氣隙大于 0.5mm就可避免這類問題。當你買一對（兩個一半）磁芯，給出AL,通常是一半有氣隙，而另一半無 氣隙。因此實驗室中，你要想得到一半的 AL直，

12、只要用兩個預留氣隙合在一 起。當然，剩下的是不留氣隙磁芯。在實驗室做氣隙磁芯時，一般你放兩個墊片在磁芯的外邊柱（如 0.05mm 多層聚酯薄膜帶），并使每個墊片相等并等于希望的氣隙。你應當記住，你 計算的是總氣隙長度，它是中心柱氣隙和邊柱（兩個中的一個）磁路氣隙之 和。因為在邊柱放置氣隙，也在中柱產生氣隙，你放置的墊片厚度應是總氣 隙的一半。如果你要在中柱產生1.26mnH隙，你需要在每邊放置0.63mm勺氣隙。現在我們來選擇氣隙，并參考飛利浦手冊。我們看到，市售的標準產品中EFD10r5個不同的AL值。我們可以假定這1小的磁芯可以做 72.5 ”電感， 所以我們用這個最高A廉試探。因為AL高

13、，則匝數最少，因而線圈電阻也 最低。最高AL= 160nH ,為了得到72.5林H,我們需要A - Al 160x10-9 .213匝選擇N=22E,所用的磁芯Ae=0.072cmZ所以可以計算氣隙0.4tx1? x 0.072 x10-b=0,005655 cm。太薄！這顯然不是你要達到的數值。知道氣隙以后，你可以計算磁通密度x N x I 4 x 22 x 1.07 x 10-7 八十一 ,/ %= = 0.523 (T)0.005655x10這大于3F如100c時飽和磁通密度Bs=0.33T盡管在手冊上25c飽和磁通 為0.5T,但磁芯工作溫度總是超過25 C ,而且在最壞情況下遠遠大于

14、25C, 0.5T對使用意義不大。因此不能選用這個磁芯。根據以上的方法，我們計算 了不同AL （氣隙）一組結果，如表5-6所示。最終AL= 25 偎菲利普最大預 留氣隙磁芯。這個表中僅有兩個磁芯的磁通密度小于100c時3F3飽和磁通密度0.3T,所以就不必考慮AE63n即口 100n用外兩種磁芯。6,選擇次級匝數根據式（5-11b）得到=V。二(L63-L224) M1.4 x 0.9 x 48 =1 L25.4則次級匝數為M 54 TL2= 4,8取5匝。這里Uo'是輸出電壓與整流器壓降之和。工程中，變壓器輸出功率 與變換器輸出功率是不同的。同樣變壓器的效率與變換器的效率也是不同的

15、概念。這里主要是說明設計的基本步驟，沒有嚴格區分。假設沒有漏感，次級電感量為L 72 SL =Y = - = 0+62 u F' n2 （54/5）2校核復位時間心坦=乙組 = 662/©了舊"L33U U U5.4x5口0導通時間是DmaX<（1/f）=0.45 X4=1.8ps。要保持斷續模式，應當具有，11mlz=1.8 + 133 = 3,13 u s< 7=4 u s在最低輸入電壓時，仍能保持斷續模式。7,磁芯損耗我們兩種選擇的磁芯AL= 25口40區則耗有多大？在一個反激變換器中，電流是單方向的，所以磁通密度也是單方向的，它由0增加到最大值B

16、max 再由最大值下降到零，所以峰值磁通密度是對稱磁化BmaX勺一半。對于3F3材料在250kHz寸，磁通密度255.8mT/2=127,9mT時損耗近似為373mW/cm前 200.6/2=100,3mT時近似為209.5mW/cm3.（菲禾普3F所料如圖5-13所示） 我們注意到鐵氧體（包括3F3）材料應用有3個特性需要關注的：磁化曲線的 溫度特性（圖5-16）、損耗密度的溫度特性（圖5-14）以及損耗密度與磁通 密度和頻率的關系（圖5-13）。鐵氧體的主要特性磁化曲線與溫度關系（圖5-16）可以看到，隨著溫度升高，飽和磁通密 度下降。開關電源中的磁性元件總是要發熱的，而且由于散熱不良，磁

17、芯最 里面部分（中柱）溫度最高，一般有可能超過 100C,因此，飽和磁通密度應 限制在100c對應的飽和磁通密度，對于3F3應在0.33T以下。我們從損耗與溫度關系曲線（圖5-14）可以看到，在溫度較低時，鐵氧體損 耗隨溫度升高而降低；但達到某一谷點之后，隨溫度增加而上升，有正反饋 性質，上升較快。限制了鐵氧體工作溫度。一般最熱點溫度不應超過120c .8 .降低開關頻率能降低磁芯損耗如果磁芯損耗太高，我們有兩個選擇：要么進一步增加氣隙；或選擇更 大磁芯。隨著氣隙加大，邊緣磁通加大，漏感增大。漏感增大將引起其它電 路元件的損耗。同時，較大的磁芯占有電路板面積大和成本高，工程上要折 衷考慮。9

18、.線圈損耗計算在前面的設計我們計算了磁芯損耗。此類磁芯沒有列出窗口面積，我們可以從規定磁芯結構尺寸直接求得，如圖5-17所示。在計算窗口面積時，要記住導線是從一邊窗口繞回到另一邊完成1匝，所以是半個窗口面積，如圖5-17中(磁芯是有兩個一半磁芯組成總的)陰影面積 所示。此磁芯總的窗口面積Ae為陰影面積兩倍x (3.75 x 2) = 11.625 mm2對于這個磁芯形狀，我們可以達到 80燒填系數(如果初級要與次級絕緣,充填系數要大打折扣，首先要給絕緣帶面積，其余才是導線截面積)。初級與次級線圈各占一半面積，每匝初級線圈的面積為11.625x0.8-2x54=0,0861 mm2選取d=0.3

19、1mm(0.0755)導線。每米電阻為0.232 Q .為得到比較保守的每匝平均長度，我們假定線圈繞滿整個窗口，同時是矩形 截面F 4.55E7.65¥個窗口圖5-17計穿線圈窗口E + F E-Fla n 2 x2 + (- + G)x2 = 2(£ + G) = 2(7.65 + L45) = 18.2 mm-1 . 82cm式中朋中柱厚度。所以，20c時線圈電阻為=54x 1 82x0.00232 = 0228 Q實際線圈總是要發熱的，溫度高于20C,假定線圈溫度為60C (可以用以上 電感設計中迭代求解)，線圈電阻為= R. x 1 ,OO39(6°-：o

20、) = 0.228 x 1J 68 = 0266 Q由此就可以計算損耗功率。用窗口面積計算溫升。應當與當初假定值接近否則，重新迭代。10 .考慮集膚效應高頻電流在導體的外表面流通的現象稱為集膚效應。集膚深度與電流頻率、 導線的材料磁導率、電阻率和電阻率的溫度系數有關。在頻率足夠低時，集 膚深度大于導線直徑，使用導線整個截面積。在開關電源中，頻率很高，集 膚效應影響很大。導線直徑最好小于集膚深度。多股細線組成的利茲線是最 好的選擇。利茲線的每根細線之間是絕緣的。這樣絕緣占據很多窗口面積。 對于銅導線，溫度為20c集膚深度為% 6.61川一一 （cm）銅導線電阻率正溫度系數，對著溫度升高電阻率增加

21、，集膚深度有增加，溫 度100c時的集膚深度為A -工6 /1loo（而）對于開關頻率250kHz, 100 C集膚深度為7.67.6口100 - f-T -/7V25OX1O3=0,0152 cin=0.152nnn顯然導線直徑接近兩倍集膚深度。要是利用利茲線或多股線，窗口無法繞下54匝線圈。我們還是選擇直徑0.31m得線。11 .銅損耗和總變壓器損耗應當記住，銅損耗由電流的有效值決定。對于鋸齒波電流（圖 5-10）其平均值為lbd有效值為0 4，= 1,07. -=0,41 A 3r歷 3交流分量有效值為1= 7 r J二"工= v0*412 -0 242 =033 A于是初級直

22、流損耗功率為0.242 X0.266=0.0152W。為減少鄰近效應，將初級線圈分成一半將次級夾在中間，假定初級為一層，導線直徑是穿透深度的2倍，由Dowell曲線（圖5-18）得到，交流電阻與直流電阻比值為 Rac/ Rdc=2。于是線圈交流損耗為 0.3322 X 0.266 X2=0.0586W 于是初級線圈總損耗為0.0152+0.0586=0.0738mW 如果次級線圈損耗等于初級損耗，總損耗超過允許值。同時可以看到交流損耗遠遠大于直流損耗，應當采用利茲線。如果減 少電感，但峰值電流加大，這樣磁芯窗口無法繞下線圈。建議采用大一號磁芯再試算一次。12.重新選擇磁芯尺寸選擇EFD12 A

23、e=11.4mm2 Ve=0.325mm3 le=28.5mm。由表5-4 (Dx (E-F) 窗DAw=16.33mm2f 口寬度2D=9.1mm)材料仍然選擇3F3。預留氣隙磁芯有 4個AL值：250,160,100,63和40(nH)。根據以上計算選擇 AL=63nH由表5-6 得至UN1=341。初級電感仍為72.5 pH,初級峰彳1電流為1.07A,最大占空度 Dma- 0.45.nN A電 0.4乃xF xO114x1OT-0.0227 cm”_ 口 xNx/ Att x 34 x 1,07 x 10- A八十B = lkH = U=0.2014 (T)<033T°

24、 S0.0227x10"因為匝比n=11.2,故34/11.2 =3N®。次級峰值電流】幾風電=(L07X 3473)=12.13Ao次級復位時間丁 277。2x4x10Tx2= = Lj2 u s12.13 -p有足夠的復位時間。不會進入連續模式。磁芯損耗密度在250kHz、磁通密度2014/2=1070高斯為p = 1.25(2,19 x 10-7)£294 = 220.7 iiiW/cn?則磁芯損耗為Pc = pVe = 220,7 x 0325 = 7 L7 mW初級線圈用兩個各34匝線圈并聯，并將次級夾在中間。導線直徑為 0.31 X 0.707 = 0.2121 mm。實際選擇裸線 d1=0.21mm,帶漆皮 d1' =0.25