反激式变压器设计指南.docx

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1、1反激式变压器设计介绍反激式电源变换器设计的关键因素之一是变压器的设计。在此我们所说的变压器不是真正意义上的变压器，而更多的是一个能量存储装置。在变压器初级导通期间能量存储在磁芯的气隙中，关断期间存储的能量被传送给输出。初次级的电流不是同时流淌的。因此它更多的被认为是一个带有次级绕组的电感。反激电路的主要优势是本钱，简洁和简洁得到多路输出。反激式拓扑对于 100W 以内的系统是有用和廉价的。大于 100W 的系统由于着重降低装置的电压和电流， 其它诸如正激变换器方式就变得更有成效。反激式变压器设计是一个反复的过程，由于与它的变量个数有关，但是它不是很困难，稍有阅历就可快速和简洁的处理。在变压器

2、设计之前的重点是定义电源参数，诸如输入电压，输出功率，最小工作频率，最大占空比等。依据这些我们就可以计算出变压器参数，选择适宜的磁芯。假设计算参数没有落在设计范围内，重复计算是必要的。利用网站上的 EXCEL 电子表格可以简洁的处理这些步骤。属于 ISMPS IC 的 IR40xx 系列最初设计应用于准谐振方式，这意味变压器工作于不连续模式磁场不连续，当变压器中的能量传递到次边后磁场反回到零。在 PRC 模式中的变压器通常也工作于不连续状态，假设工作于连续状态时工作频率设置的很低约20KHZ 时一般不有用，由于需要较大尺寸的磁芯。因此本应用手册仅包含不连续设计的实例。2电源设计所需的标准在开头

3、变压器设计之前，依据电源的标准必需定义一些参数如下：1最小工作频率min2估量电源效率0.850.9(高压输出)，0.750.85低压输出3最小直流总线电压Vmin 如 110V 时最小输入电压 85Vac，可有 10V 抖动4最大占空比Dm建议最大值为 0.55串联谐振电容值Cres建议取值范围为 100pf1.5nf，见图 13变压器设计步骤首先计算总输出功率，它包括全部次级输出功率，关心输出功率和输出二极管的压降。通常主要输出电流假设大于 1A 使用肖特基二极管，小于 1A 使用快恢复二极管，当小电流输出时关心绕组可用 1N4148 整流建议关心电压为 18V，电流为 30mA输出功率P

4、o计算的是总的输出功率。依据 Po 变压器的初级电感可由下式计算出。图 1 IR40xx 系列反激电路典型应用下一步是计算初级，次级和关心绕组的变比。下式给出初级(Np)和次级(Ns)变比的计算公式：此处 Vo 是次级输出电压，VD 是次级输出整流管的正向压降。一个好的方法是先计算次级每伏的匝数，依此可计算出初级的匝数。关心绕组的匝数 NB 可依下式算出。对于多路输出电源需要反复计算找出最正确变比，需要对输出电压实行一些折中以确保匝数为整数，没有半匝。现在就可计算出带气隙磁芯的有效电感。这需要从磁芯生产商处获得所需有气隙磁芯的 Alg 值或者使用标准磁芯通过研磨中间段得到所需的 Alg 值它也

5、可以用下式由初级电感 Lp(H)和初级匝数 Np 计算出。初级平均电流 Iav 可由假定效率，所需总输出功率 Po 及最小直流总线电压Vmin 算出。所需初级峰值电流 Ip 可由下式算出图2 给出不连续模式初级电流波形。可以看出在t1 导通期间有一斜坡电流， 其上升斜率受直流总线电压和初级电感 Lp 掌握，最终到达刚刚所计算的峰值电流值 Ip。在 t2 关断期间初级无电流流过。在 I=Ip 处消灭峰值磁通。由于 IR40xx 是自准谐振电路，t1 与 t2 的转换依靠于输出负载和输入电压。计算时我们可采用变压器最坏状况下的最低频率，最低直流总线电压和最大负载。图 2 不连续反激电路初级电流波形

6、依据初级 RMS 电流 I rms 能够算出所需导线线径，见下式:下一步是计算所需磁芯尺寸和气隙。首先选择磁芯尺寸，可以应用第五局部给出的磁芯类型和尺寸选择适当的功率等级。依据下式由有效截面积 Ae(cm2)计算出最大磁通密度 Bm，作为磁芯选择依据Bm 应在 20233000 高斯之间，低于2023 磁芯未被充分利用，高于 3000 依据所用铁氧体材料可能发生饱和。一个可选方法是由 Bm如 2500计算所需磁芯的最小 Ae.见下式通过转变次级匝数(Ns)可使 Bm 在所需范围内，也可直接转变初级匝数(Np)。对于特地磁芯增加次级匝数将降低 Bm，反过来削减次级匝数将增大 Bm。沟通磁密 BA

7、C 的应用可依据厂商供给的磁芯损耗曲线。它给出磁通的沟通成分而不是峰峰值。这对不连续变压器设计可很便利由下式算出下一步是计算所需气隙。这意味着先要计算无隙磁芯的相对导磁率r，它可由磁芯参数 Ae有效截面积 cm2，Le有效磁路长度 cm2，AL电感系数 nH/匝 2计算出现在可以计算气隙的厚度了。气隙仅在磁芯的中间局部研磨，这样有助于防止磁芯边沿磁通泄漏对四周元件产生 EMI 噪声然而对于进展中或小的产品用绝缘材料垫在磁芯外部获得所需气隙是可以接收的。但必需切记外部气隙是计算值的一半。Ig 最小是 0.051mm，这是 Alg 的约束和研磨容许误差。Ig 计算公式如下：随着参数的计算和确定我们

8、现在需要计算适宜的导线规格。首先需要依据实际骨架宽度(BW)计算可用骨架宽度BWA, 初级绕组L层数，余留宽度M。初级可绕 1，2 层或 3 层但要尽量削减层数以降低初级绕组电容也可用胶带绝缘初级能有效的降低绕组电容和漏电感。余留尺寸取决于由系统输入电压和安全处理打算的所需绝缘程度详见第 4 局部变压器构造。另一可行方法是次级绕组绝缘增大 3 倍就无需余留空间，这一方法通常应用于主要考虑变压器尺寸的场所，此发能减小变压器尺寸，但通常引起本钱增加现在依据可利用的绕组宽度计算出初级导线规格，由初级匝数计算出包括绝缘层在内的导线外OD，mm。计算的目的是为了让初级绕组掩盖整个骨架宽度以产生最强的耦合

9、现在由第 5 局部的导线规格表它是个好的开头或者厂商供给的适宜的导线规格表可以选择与所计算 OD 值相匹配的导线规格。依此能得到导线的圆密尔值CM，进一步可以计算初级绕组电流容量它是反推电流密度的根底它被定义为“圆密尔每安培”或 CMA计算的 CMAp 值应在 200500 之间，低于 200 的电流密度太高，它会导致发热和功率损耗，高于 500 导线未被利用到额定电流容量值。假设计算的 CMAp 低于200 需重复计算，可以增加绕组层数或选择大一规格的磁芯。假设 CMAp 高于 500 就削减绕组层数或小一规格的磁芯进展重复计算。作为一个标准初级导线规格应在 26AWG 之内。这是由于在高频

10、时电流只在导线外表流淌，大规格导线的中心没有被利用，电流集中在导线外表，这样就减小了导线有效栽流截面。可以用多股导线抑制这以问题，例如多股标准 26AWG 导线可给出一样的有效 CMA。现在我们需要计算关心绕组导线规格和次级绕组导线规格或多路输出电源的绕组。利用下式能够计算出适当绕组的次级峰值电流此处 Pox 是所计算的次级绕组的输出功率，Po 是从前计算的总输出功率。这确保所计算的次级峰值电流和特定输出功率相匹配，这一点对多路输出电源很重要，能保证次级导线规格不超标，这假定次级是单独绕组。一个可选的方法是叠加次级绕组，通过合并输出返回连接端能够削减骨架所需引脚数。这两种次级绕组安排见以下图

11、3。图 3 次级绕组的两种不同安排在图 3 所例如子中次级 S1 传导 S1，S2，S3 的和电流，次级 S2 传导 S2， S3 的和电流，因此导线的规格必需于之相适应。Ispx 计算公式变为下式：此处Pox 是各绕组功率之和，例如在图 3 b) 中 S1S2S3 为 S3 绕组， S1S2 为 S2 绕组。S3 照旧传导它自己的电流，计算是简洁的。现在次级 RMS电流(Isrms) 可以下式计算：图 4 给出 IR40xx 漏极电压，初级电流，变压器次级电压和次级电流。据此可以看出初、次级之间的关系，初、次级电流是如何不在同一时间流淌的。现在依据所计算的次级 RMS 电流Isxrms得出所

12、需次级导线的规格。公式如下：留意此处计算的初级所用 CMA电流容量要确保与初级和次级的电流容量相匹配。由所计算的 CM 值从导线规格表中选择适宜的导线。假设可能的话总是在相邻低点的 AWG 号它是相邻较大导线规格四周取值。次级导线规格大于26AWG 时建议不使用单根导线，其缘由在前面关于初级导线规格时已提及到，所以绕组就需要用小规格的导线或者绞合线它通常是多股导线编织而成这种导线一般是定做，价格昂贵，但它使用效果好并联使用。当使用并联导线时应确信全部 CM 值在前面计算值的 10%之内。同法可计算出关心绕组所需的导线规格。图 4 一个 12V/2A 的电源在 90Vac 输入带 1.5A 负载

13、时IR40xx 的漏极电压CH100/div、初级电流CH3、次级电压CH220V/div和次级电流(CH4)为了初、次级间有最强的耦合，次级绕组应布满整个骨架宽度。由于次级绕组通常只有很少的匝数，所以能通过绕组并联到达此目的。变压器制造商在制作变压器时需要以下参数：磁芯和骨架序列号及所需气隙 AL 值ALG每一绕组的导线规格和绝缘类型安全和漏电要求初级电感每一绕组Np、Nb、Ns匝数骨架引脚连接关系绕组构造和放置工作温度等级例如，等级 A=105C4)变压器构造对于反激变压器的构造有两种主要的设计方法，它们是：1边沿空隙法Margin Wound方法是在骨架边沿留有空余以供给所需的漏电和安全

14、要求。23 层绝缘法Triple Insulated次级绕组的导线被做成 3 层绝缘以便任意两层结合都满足电气强度要求。安全要求、漏电和电气强度要求以适当的标准列出，例如对于 ITE，在美国包含于 UL1950 中，在欧洲包含于 EN60950IEC950。56mm 的漏电距离通常就足够了，因此在边沿的应用中初、次级间通常留有 2.53mm 的空间。图 5 给出边沿空隙法构造和 3 层绝缘法构造。边沿空隙法构造是最常用的类型。边沿空隙法构造由于材料本钱低具有很高的性价比。3 倍绝缘法构造变压器体积可以做的很小，由于绕组可以利用骨架的全部宽度，边沿不需要留空隙，但是材料成本和绕组本钱比较高。图

15、5 a)给出边沿空隙法构造，此例中边沿空间由被切割成所想要边沿宽度的带子实现，这种带子通常需要 1/2 爬电距离如 6mm 爬电距离时为 3mm。边沿带子绕的层数与绕组高度相匹配。磁芯的选择应是可利用的绕组宽度至少是所需爬电距离的 2 倍以维持良好的耦合和使漏感减到最小。初级绕组是骨架中的第一个绕组，绕组的起始端和初级严密相连是和 IR40xx 的漏极引脚相连的末端。这就使通过其它绕组使最大电压摇摆点得到保护。进而使能耦合到印制板上其它元件的 EMI 最小。假设初级绕组多于一层，在两绕组层之间应放置一个根本的绝缘层切割成布满两边余留之间宽度，可以减小两层之间可能消灭的击穿现象，也能减小两层之间

16、的电容。另一绝缘层放在初级绕组的上面，关心绕组在此绝缘层之上。在关心绕组上放置 3 层胶带切割成布满整个骨架宽度以满足初、次级之间的绝缘要求。在此层之上放置另一边沿空隙，次级绕在它们之间， 所以在初、次级之间就有 6mm 的有效爬电距离和完全电压绝缘。最终在次级绕组上缠 3 层胶带整个骨架宽度以紧固次级绕组和保证绝缘。图 5 边沿空隙法和 3 层绝缘法类型的变压器构造图 5 b) 给出 3 层绝缘法构造。可以看出初级布满整个骨架宽度，和关心绕组之间仅有一层胶带，在关心绕组上缠一层胶带以防止损坏次级绕组导线的 3 倍绝缘层。次级绕组缠在其上，最终缠一单层胶带进展保护。留意绕线和焊接时绝缘不被损坏

17、。4.1变压器材料铁芯有很多厂家的铁芯可被用作反激变压器。下面的材料适合使用： TDKPC40 或 PC44 材质飞利蒲3C85、3C90 或 3F3 西门子N27 或 N67有很多外形的磁芯可用但反激变压器一般用 E 形磁芯，缘由是它本钱低、易使用。其它类型磁芯如 EF、EFD、ETD、EER 和 EI 应用在有高度等特别要求的场合。RM、.toroid 和罐形磁芯由于安全绝缘要求的缘由不适合使用。低外形设计时 EFD 较好，大功率设计时 ETD 较好，多路输出设计时 EER 较好。骨架对骨架的主要要求是确保满足安全爬电距离，初、次级穿过磁芯的引脚距离要求以及初、次级绕组面积距离的要求。骨架

18、要用能承受焊接温度的材料制作。绝缘胶带聚酯和聚酯薄膜是用作绝缘胶带最常用的形式，它能定做成所需的根本绝缘宽度或初、次级全绝缘宽度例如 3M1296 或 1P801。边沿胶带通常较厚少数几层就能到达要求，它通常是聚酯胶带如 3M44 或 1H860。励磁导线励磁导线的护套首选尼龙/聚亚安酯，它在和熔化的焊料接触时阻燃，这样就允许变压器浸泡在焊料锅中。不建议使用标准的瓷釉导线，由于在焊接前要剥去绝缘层。3 层绝缘导线在 3 层绝缘构造中次级绕组导线使用 3 层绝缘导线，和励磁导线相像主导线是单芯，但是它有不同 3 个绝缘层，即使三层中任意两层接触都满足绝缘要求。护套边沿空隙构造变压器绕组的首、尾端

19、需要护套。护套必需经相关安全机构认证至少有 0.41mm 壁厚以满足绝缘要求，由于热阻要求通常使用热缩管，要确保在焊接温度时不被熔化。浸漆通常使用浸漆锁定绕组和磁芯间的空间，可以防止噪声和湿汽进入变压器。它有助于提高耐压力量和热传导性能。然而这是一个很幔的步骤。4.2) 绕线方式C 型绕线这是最常用的绕线方式。图 6示出有 2 层初级绕组的 C 型绕线。C 型绕线简洁实现且本钱低，但是导致初级绕组间电容增加。可以看出初级从骨架的一边绕到另一边再绕回到起始边，这是一个简洁的绕线方法。Z 型绕线图 7示出有 2 层初级绕组的 Z 型绕线方式。可以看出这种方法比 C 型绕线简单、制造价格较贵，但是减

20、小了绕组间的电容。4.3绕组挨次初级绕组一般绕在最里层这样能使每匝长度最小，并能减小初级电容。如前面争论的把初级绕组放在最里层的方式可以使它受到其它绕组的保护，减小耦合到印制板上其它元件的噪音。通过使绕组的始端初级最里层的末端成为和IR40xx 的漏极相连的末端也可以减小耦合噪音，该连接点具有最大电压波动 也受到其它绕组的保护。在初级绕组两层之间缠一层胶带对初级绕组的电容作为四个要素中之一尽可能减小它有很大影响。关心绕组和次级绕组的放置依靠于所用的调整方式。假设是次边调整则次级绕组在最外层，相反关心绕组调整则它在最外层。边沿空隙设计时为了减小所需边沿和绝缘层数把次级绕组作为最外层。假设关心绕组

21、作为最外层绕组对初级的耦合将减弱，对次级的耦合将增加，改善了输出调整性能，同时通过漏电感减小了关心源电容的峰值充电电流。4.4) 多路输出高功率的多路输出设计相对初级绕组来说次级应当是闭合的，能够减小漏电感和确保最正确耦合。次级应尽可能的布满可绕线的宽度，这样如前面所争论的使多路次级制作较简洁，它也改善了高频时导线使用率。使用前面所讲的次级叠加技术能够改善关心输出的负载调整性能，减小次级总匝数和骨架引脚数。4.5) 漏电感变压器构造对初级绕组的漏电感有很大影响。漏电感会导致 MOSFET 关断时产生感应电压，使漏电感最小能够降低感应电压和降低甚至不需要初级缓冲电路。变压器绕组的顶部相互之间应同

22、轴以便使耦合最强，减小漏电感。由于此缘由不使用平板和分段骨架。另一把初级绕组分开绕制的方法也可以减小漏电感图 8。分开的初级绕组是最里边第一层绕组，其次层初级绕在外边。这需要骨架有空余引脚让初级绕组的中心点连接其上，但是对改善耦合有意义。5变压器磁芯类型图 9示出可用作反激变压器的不同类型磁芯。图 9反激电源变压器磁芯类型磁芯类型的选择主要受尺寸限制。EFD 和 EPC 磁芯应用在需要低外形的场合，应用垂直或水平骨架 E、EE 和 EF 磁芯较好。ETD 和 EER 磁芯通常较大，但有较大的绕线区域，它们对大功率或多路输出设计有显著的好处。谨记边沿空隙类型的变压器比 3 层绝缘类型的变压器需要较大的磁芯以便边沿空间。下面的磁芯表有助于磁芯尺寸和类型的选择。6线规表线规表对于计算是一个良好的开头，但是要从生产商处查对由于不同绝缘厚度所用导线的实际外径。此表包含标准单层绝缘励磁导线外径，不包括3层绝缘导线，具体资料查阅供给商。