电感和反激变压器设计通信电子电子设计通信电子电子设计.pdf

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1、电感和反激变压器设计 线）间隔为。第六章节求得有效层厚度等于：参考图得到 Q=/=/=以及 36 层，求得 Rac/Rdc=,Rac=Rdc x=x=Q（10）计算线圈总损耗和温升 次 级直流损耗：P2dc=lo2Rdc=102 x=次级交流损耗 P2ac=l2ac2Rac=x=总的次级损耗直流加交流 P2=+=有效线圈高度可以增加次级线圈导线厚度，这样可以减 少直流损耗。但因此 Q 值较大，引起交流电阻增加，因而交 流损耗增加大于直流损耗的减少。初级直流损耗 P1dc=I1dc2Rdc=22 x=初级交流损耗 P1ac=I1ac2Rac=x=总的初级损耗直流加交流 P1=+=总的线圈损耗：P

2、w=+=因为磁芯仅 20mW 总损耗为在允许的绝对损耗 2W 之内。总线圈高度：+=,在可用的线圈高度之内。在次级的卩 H 自感反射到初级为 170 卩 H（L 仁 n2L2）.根据第六章计算初级和次级之间的漏感，初级边近似为 5 卩 H。线圈间电容 50pF。如果线圈交错结构，漏感要小一 半，但线圈间电容将增大加倍。交错结构将线圈分成两部分，每部分层数相等。这将使初级和次级的 Rac/Rdc 都减少到接 近 1，减少交流损耗，减少总功率损耗到。次级铜的厚度增 加，可进一步减少损耗。5.断续工作模式 断续工作模式的波形如图所示。根据定义，在每个开关 周期的一部分时间总的安匝下降到零。因此，断续

3、模式在每 个开关周期有三个不同的时刻：ton,tR 和 t0(图(b)。随 着 tT,和 tR 也增加，负载增加，峰值电流 Ip，但 t0 减少。当 t0为零时，进入临界连续模式(图(a)。137 进一步增加负载，进入连续模式。因为控制回路特征突 然改变，可能引起不稳定，这是不希望的。在断续模式中，在每个周期中，在导通期间存储的所有 的能量在截止期间传输到输出。磁能乘以频率等于输出功率 Po=loUo。所以，如果频率 f,L,Uo 保持不变，LI1p2/2 也 不随Ui 变，但仅正比于负载电流，而 I1p 正比于负载电流 直流损耗次级交流损耗总的次级损耗直流加交流有效线圈高度可以增加次级线圈导

4、线厚度这样可以减少直流损耗但因此值较大引起交流电阻增加因而交流损耗增加大于直流损耗的减少初级直流损耗初级交流损耗总的初级损耗直流加反射到初级为卩仁根据第六章计算初级和次级之间的漏感初级边近似为卩线圈间电容如果线圈交错结构漏感要小一半但线圈间电容将增大加倍交错结构将线圈分成两部分每部分层数相等这将使初级和次级的都减少到接近减少交流损每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零因此断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻和图随着和也增加负载增加峰值电流但减少当为零时进入临界连续模式图进一步增加负载进入连续模式因为控制路特征突然改变可能引起的平方根。在临界连续时输出最大功率。以到达临界连续时正好达到短路允

5、许峰值电流条件下 设计电路，设计的匝比、占空度和电感量在峰值电流小于允 许峰值电流时，提供全部输出功率。直流损耗次级交流损耗总的次级损耗直流加交流有效线圈高度可以增加次级线圈导线厚度这样可以减少直流损耗但因此值较大引起交流电阻增加因而交流损耗增加大于直流损耗的减少初级直流损耗初级交流损耗总的初级损耗直流加反射到初级为卩仁根据第六章计算初级和次级之间的漏感初级边近似为卩线圈间电容如果线圈交错结构漏感要小一半但线圈间电容将增大加倍交错结构将线圈分成两部分每部分层数相等这将使初级和次级的都减少到接近减少交流损每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零因此断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻和图随着和

6、也增加负载增加峰值电流但减少当为零时进入临界连续模式图进一步增加负载进入连续模式因为控制路特征突然改变可能引起决不能脱离磁元件进行电路设计。尤其在高频需要很少 次级匝数，选取匝数发生困难时。设计理想的断续模式反激 变压器的次级可能出现分数匝，例如匝，如果次级取整为 1 匝或 2 匝，将引起损耗和成本的增加，可通过改变匝比和占 空度。例 19 断续模式电感设计举例 1）决定反激变压器设计有关的参数。输入电压 Uo：5V 满载电流 Io:10A I1 I2 短路电流 Is:12A 电路拓扑：反激，断续模式 ton tof 开关频率 f:100kHz 满载 T 设定的占空度 D:24V,临界连续时（

7、高 Ui）I1 限定次级峰值电流 I2p:45A（次级）IP I2 限定次级电感 L2:卩 H（D=,l=45A）最大损耗：0 ton tR tO 最大温升 T:40 C 图安匝断续波形 冷却方式：自然冷却 2）初步计算：根据最小 Ui（24V）和 Uo 以及设定的占空度临界连续决定 匝比：nUiUoD1D245614 Ui:28 4V 临界模式（安匝）ISp 输出电压 直流损耗次级交流损耗总的次级损耗直流加交流有效线圈高度可以增加次级线圈导线厚度这样可以减少直流损耗但因此值较大引起交流电阻增加因而交流损耗增加大于直流损耗的减少初级直流损耗初级交流损耗总的初级损耗直流加反射到初级为卩仁根据第六

8、章计算初级和次级之间的漏感初级边近似为卩线圈间电容如果线圈交错结构漏感要小一半但线圈间电容将增大加倍交错结构将线圈分成两部分每部分层数相等这将使初级和次级的都减少到接近减少交流损每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零因此断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻和图随着和也增加负载增加峰值电流但减少当为零时进入临界连续模式图进一步增加负载进入连续模式因为控制路特征突然改变可能引起匝比 n 降低到 4:1,而不是 5:1,因为：（a）4:1 比较接近；（b）峰值输出电流小了，减少输出电容的负担，以及（c）初级 开关的峰值电压减少了。临界连续时占空度不再是，必须重 新计算：D24UonoUiUn4

9、1D24 平均电流求临界连续时次级峰值电流：138 l2dcl2p1D242 l2p2l2dc1D24 所以，初级峰值电流限制设在稍微低于。临界连续模 式次级电流从到零的斜率需要的电感值：LUotiUoT1D24iH 在计算损耗之前，必须决定最低电压 Ui 最坏情况下直 流和交流分量。因匝比和占空度可能改变，为使线圈优化，电流计算在以后进行。3）应用产品手册选择磁芯材料：磁芯材料：铁氧体 P 类。4）磁芯工作的最大磁通密度和最大摆幅。选用最大磁 通密直流损耗次级交流损耗总的次级损耗直流加交流有效线圈高度可以增加次级线圈导线厚度这样可以减少直流损耗但因此值较大引起交流电阻增加因而交流损耗增加大于

10、直流损耗的减少初级直流损耗初级交流损耗总的初级损耗直流加反射到初级为卩仁根据第六章计算初级和次级之间的漏感初级边近似为卩线圈间电容如果线圈交错结构漏感要小一半但线圈间电容将增大加倍交错结构将线圈分成两部分每部分层数相等这将使初级和次级的都减少到接近减少交流损每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零因此断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻和图随着和也增加负载增加峰值电流但减少当为零时进入临界连续模式图进一步增加负载进入连续模式因为控制路特征突然改变可能引起度 Bmax=（3000Gs）。在电流断 续模式中，根据定义每个开关周期度有部分时间电流为 零。所以，I总是等于 Ip,并因为正比关系，B

11、总是等于 Bp。在低输入电压，当电流达到峰值短路电流限制时出现 Bmax 和 Bmax 如果磁芯受损耗限制，在 P 类材料磁芯损耗 曲线中，一般取损耗限制为 100mW/cm3纹波频率为 100kHz，此决定了相应最大峰值磁通密度为 1100GS。得到的峰值磁通 密度乘以 2 获得峰值磁通密度摆幅为 2200GS,即。因为在断 续模式中，Bmax=Bmax,因而 Bmax 也被限制在，接近饱 和。因此，在 Bmax=时，相应于 l=l2p=46A。5）应用产品手册或面积乘积公式，粗选磁芯的形状和 尺寸。选择 EE 型ETD 系列。采用损 耗限制面积乘积公式，Bmax=和 K2=,需要面积乘积。

12、采用 ETD24 磁芯尺寸，AP=（带骨架）：手册查得对于所选磁 芯的参数为：有效磁芯截面积 Ae=有效体积 Ve=平均磁路长度 le=中柱直径 D=窗口尺寸：窗口面积 Aw/AW=/宽度 bw/bW=/高度 hw/hW=/平均匝长 lav=6）决定热阻 RT 和允许损耗，并将损耗分成磁芯和线圈 损直流损耗次级交流损耗总的次级损耗直流加交流有效线圈高度可以增加次级线圈导线厚度这样可以减少直流损耗但因此值较大引起交流电阻增加因而交流损耗增加大于直流损耗的减少初级直流损耗初级交流损耗总的初级损耗直流加反射到初级为卩仁根据第六章计算初级和次级之间的漏感初级边近似为卩线圈间电容如果线圈交错结构漏感要小

13、一半但线圈间电容将增大加倍交错结构将线圈分成两部分每部分层数相等这将使初级和次级的都减少到接近减少交流损每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零因此断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻和图随着和也增加负载增加峰值电流但减少当为零时进入临界连续模式图进一步增加负载进入连续模式因为控制路特征突然改变可能引起耗。磁芯手册得到热阻为 28C/W。根据最大温升 T 求得允许损耗为：Plim=T/RT=40/28=因为小于第一步决定的绝对损耗 2W 采用为允许损耗。预计磁芯损耗：PC=p x Ve=100mW =350mW.7)计算需要的次级电感 量的匝数：139 N2LlmaxBmaxAe102102

14、2匝 N1N2n248 匝 因为 N2 取整下降到 2 匝，磁通密度摆幅成比例地大于 初始假设：Bmax 除以 2 得到峰值磁通密度摆幅，查磁芯损耗曲线，在(1300GS)得到校正后磁芯损耗为 160mW/cm3乘以 Ve=,校 正后的磁芯损耗为 560mW 如果 N2 取整上升到 3 匝，磁芯损耗将大大减少，但线 圈损耗同时大大增加，而且磁芯窗口面积可能绕不下线圈。8)计算要求的电感量的气隙长度(L 卩 H;尺寸一 cm):0N2AeL2(1Dcp)10 4 4(1)104 直流损耗次级交流损耗总的次级损耗直流加交流有效线圈高度可以增加次级线圈导线厚度这样可以减少直流损耗但因此值较大引起交流

15、电阻增加因而交流损耗增加大于直流损耗的减少初级直流损耗初级交流损耗总的初级损耗直流加反射到初级为卩仁根据第六章计算初级和次级之间的漏感初级边近似为卩线圈间电容如果线圈交错结构漏感要小一半但线圈间电容将增大加倍交错结构将线圈分成两部分每部分层数相等这将使初级和次级的都减少到接近减少交流损每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零因此断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻和图随着和也增加负载增加峰值电流但减少当为零时进入临界连续模式图进一步增加负载进入连续模式因为控制路特征突然改变可能引起9)计算导线尺寸和线圈电阻：第 5 步获得窗口宽度 bw=,高 hw=。在线圈每端必须留 有爬电距离为。线圈最小

16、宽度为x=。次级：Ui=24V,1 D24=输出电流 lo=12A 峰值短路电流 I2sp=有效值电 流 I2=1D243l2p 交流电流 l2ac=l22lo215A 电流密度为 450A/cm2,次级导体截面积/450=。导线直 径。也可以用宽，厚铜带卷绕 2 匝。2 匝一 2 层。包括的低压 层间绝缘。总的线圈高度为。两匝线圈的平均匝长为，线圈总长度为。次级直流电阻 为 RdclAIO 计算交流电阻：1OOkHz 时穿透深度 导体厚度 为,Q=/=,查阅 Dowell 曲线，对于 0=和 2 层，Rac/Rdc。次级交流电阻 RacRdc 如果线圈交错绕，次级夹在两半初级之间，如图所示，

17、相当于次级分成两段，每段 1 匝。Q=时 1 层对应 Rac/Rdc 。此时次级交流电阻 RacRdc 初级：Ui=24V,D24=O因次级和初级安匝总是相等的，因此 140 初级峰值电流 I1pI2p/n/4 初级直流电流 直流损耗次级交流损耗总的次级损耗直流加交流有效线圈高度可以增加次级线圈导线厚度这样可以减少直流损耗但因此值较大引起交流电阻增加因而交流损耗增加大于直流损耗的减少初级直流损耗初级交流损耗总的初级损耗直流加反射到初级为卩仁根据第六章计算初级和次级之间的漏感初级边近似为卩线圈间电容如果线圈交错结构漏感要小一半但线圈间电容将增大加倍交错结构将线圈分成两部分每部分层数相等这将使初级

18、和次级的都减少到接近减少交流损每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零因此断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻和图随着和也增加负载增加峰值电流但减少当为零时进入临界连续模式图进一步增加负载进入连续模式因为控制路特征突然改变可能引起I1dcI1p 初级电流有效值 I1I1p 初级交流有效值 I1ac2D2D32 Io 电流密度为 450A/cm2,需要导线截面积为/450=,4=导 线。可采用的铜带，宽，8 匝卷绕。8 层，每层有的低压绝 缘，总的线圈高度为 8X(+)=。平均匝长，总初级线圈长度 为。初级电阻为 RdclAIO 计算线圈的交流电阻：线圈如果不交错绕。在纹波频率 为 1OOkH

19、z 时，穿透深度=,8 层，导线厚度用，则 Q=/=0 图查得 Rac/Rdc=。初级交流电阻为 RacRdc 如果交错绕，初级分成两半，每段 4 层，Q=。图查得 Rac/Rdc=。交错绕时初级交流电阻为 Rac=Rdc=Q。10)计算线圈损耗，总损耗和温升，采用交错结构：次 级直流损耗：P2dc=122x=次级交流损耗：P2ac=ISac2 x Rac=152X=总次级线圈损耗直流加交 流：P2=+=初级直流损耗：P1dc=I1dc2 x R1dc=x=初级交流损耗(Rac=Q):直流损耗次级交流损耗总的次级损耗直流加交流有效线圈高度可以增加次级线圈导线厚度这样可以减少直流损耗但因此值较大

20、引起交流电阻增加因而交流损耗增加大于直流损耗的减少初级直流损耗初级交流损耗总的初级损耗直流加反射到初级为卩仁根据第六章计算初级和次级之间的漏感初级边近似为卩线圈间电容如果线圈交错结构漏感要小一半但线圈间电容将增大加倍交错结构将线圈分成两部分每部分层数相等这将使初级和次级的都减少到接近减少交流损每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零因此断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻和图随着和也增加负载增加峰值电流但减少当为零时进入临界连续模式图进一步增加负载进入连续模式因为控制路特征突然改变可能引起P2ac=I1ac2 x R1ac=x=总的初级线圈损耗直流加交 流是：p 仁+=总的线圈损耗：Pw=+

21、=总的变压器损耗 PT=Pw+PC=+=总的损耗在限制之内。温升将为：骨架 3 层 1 密尔绝缘 图交错反激线圈 T=RTX PT=28X=27C 线圈外包两层绝缘，总的线圈高度：+=,在窗口高度 之内。初级对次级之间的漏感近似为 卩 H 线圈间电容近似为 50pF。如果线圈不交错，根据第六章式，漏感将增大一倍，但线圈间电容减少一半。直流损耗次级交流损耗总的次级损耗直流加交流有效线圈高度可以增加次级线圈导线厚度这样可以减少直流损耗但因此值较大引起交流电阻增加因而交流损耗增加大于直流损耗的减少初级直流损耗初级交流损耗总的初级损耗直流加反射到初级为卩仁根据第六章计算初级和次级之间的漏感初级边近似为卩线圈间电容如果线圈交错结构漏感要小一半但线圈间电容将增大加倍交错结构将线圈分成两部分每部分层数相等这将使初级和次级的都减少到接近减少交流损每个开关周期的一部分时间总的安匝下降到零因此断续模式在每个开关周期有三个不同的时刻和图随着和也增加负载增加峰值电流但减少当为零时进入临界连续模式图进一步增加负载进入连续模式因为控制路特征突然改变可能引起