1、Flyback 工作原理及變壓器設(shè)計(jì),Part one： Flyback 工作原理,一、反激式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)有: 1. 電路簡(jiǎn)單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求. 2. 轉(zhuǎn)換效率高,損失小. 3. 變壓器匝數(shù)比值較小. 4. 輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),仍可有較穩(wěn)定的輸出,目前已可實(shí)現(xiàn)交流輸入在 85265V間.無(wú)需切換而達(dá)到穩(wěn)定輸出的要求.,二、反激式轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)有: 1. 輸出電壓中存在較大的紋波,負(fù)載調(diào)整精度不高,因此輸出功率受到限制,通常應(yīng)用于150W以下. 2. 轉(zhuǎn)換變壓器在電流連續(xù)(CCM)模式下工作時(shí),有較大的直流分量,易導(dǎo)致磁芯飽和,所以必須在磁路中加入氣隙,從而

2、造成變壓器體積變大. 3. 變壓器有直流電流成份,且同時(shí)會(huì)工作于CCM / DCM兩種模式,故變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)較困難,反復(fù)調(diào)整次數(shù)較順向式多,迭代過(guò)程較復(fù)雜.,第二節(jié). 工作原理 在圖1所示隔離反馳式轉(zhuǎn)換器(The isolated flyback converter)中, 變壓器 T 有隔離與扼流之雙重作用.因此 T 又稱為Transformer- choke.電路的工作原理如下: 當(dāng)開關(guān)晶體管 Tr ton時(shí),變壓器初級(jí)Np有電流 Ip,并將能量?jī)?chǔ)存于其中(E = LpIp2 / 2).由于Np與Ns極性相反,此時(shí)二極管D反向偏壓而截止,無(wú)能量傳送到負(fù)載.當(dāng)開關(guān)Tr off 時(shí),由楞次定律

3、: (e = -N/T)可知,變壓器原邊繞組將產(chǎn)生一反向電勢(shì),此時(shí)二極管D正向?qū)?負(fù)載有電流IL流通.反激式轉(zhuǎn)換器之穩(wěn)態(tài)波形如圖2.,由圖可知,導(dǎo)通時(shí)間 ton的大小將決定Ip、Vce的幅值: Vce max = VIN / 1-Dmax VIN: 輸入直流電壓 ; Dmax : 最大工作周期 Dmax = ton / T 由此可知,想要得到低的集電極電壓,必須保持低的Dmax,也就是Dmax0.5,在實(shí)際應(yīng)用中通常取Dmax = 0.4,以限制Vcemax 2.2VIN. 開關(guān)管Tr on時(shí)的集電極工作電流Ic,也就是原邊峰值電流Ip為: Ic = Ip = IL / n. 因IL = I

4、o,故當(dāng)Io一定時(shí),匝比 n的大小即決定了Ic的大小,上式是按功率守恒原則,原副邊安匝數(shù) 相等 NpIp = NsIs而導(dǎo)出. Ip亦可用下列方法表示:,Ic = Ip = 2Po / (*VIN*Dmax) : 轉(zhuǎn)換器的效率 公式導(dǎo)出如下: 輸出功率 : Po = LIp2 / 2T 輸入電壓 : VIN = Ldi / dt設(shè) di = Ip,且 1 / dt = f / Dmax,則: VIN = LIpf / Dmax 或 Lp = VIN*Dmax / Ipf 則Po又可表示為 : Po = VINf DmaxIp2 / 2f Ip = 1/2VINDmaxIp Ip = 2Po /

5、 VINDmax,推算反射電壓(Vref)：Vo/Vref=N2/N1 , Vo/Vin=D*Ns/(1-D)Np Vref=Vin*D/1-D Vce(max)=Vref+Vin+Vspike =Vin/1-D 經(jīng)驗(yàn)flyback Vce=2.2Vin.(當(dāng)Dmax 0.4),反激式變換器一般工作于兩種工作方式 1. 電感電流不連續(xù)模式DCM (Discontinuous Inductor Current Mode)或稱 完全能量轉(zhuǎn)換 : ton時(shí)儲(chǔ)存在變壓器中的所有能量在反激周期 (toff)中都轉(zhuǎn)移到輸出端. 2. 電感電流連續(xù)模式CCM ( Continuous Inductor Cu

6、rrent Mode) 或稱 不完全能量轉(zhuǎn)換 : 儲(chǔ)存在變壓器中的一部分能量在toff末保留到下一個(gè)ton周期的開始.,比較CCM 和 DCM: DCM狀態(tài)下在Tr ton期間,整個(gè)能量轉(zhuǎn)移波形中具有較高的原邊峰值電流,這是因?yàn)槌跫?jí)電感值Lp相對(duì)較低之故,使Ip急劇升高所造成的負(fù)面效應(yīng)是增加了繞組損耗(winding lose)和輸入濾波電容器的漣波電流,從而要求開關(guān)晶體管必須具有高電流承載能力,方能安全工作. 在CCM狀態(tài)中,原邊峰值電流較低,但開關(guān)晶體在ton狀態(tài)時(shí)有較高的集電極電流值.因此導(dǎo)致開關(guān)晶體高功率的消耗.同時(shí)為達(dá)成CCM,就需要有較高的變壓器原邊電感值Lp,在變壓器磁芯中所儲(chǔ)存

7、的殘余能量則要求變壓器的體積較DCM時(shí)要大,而其它系數(shù)是相等的,總結(jié)： CCM 和DCM模式：CCM初級(jí)的峰值電流小，變壓器轉(zhuǎn)換效率高，在相同的ESR輸出電容前提下，能得到較小的紋波，但是電感量的增加，會(huì)使銅損增大，在頻率不變的前提下，只能使變壓器體積變大。DCM 具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，回路穩(wěn)定性相對(duì)CCM 要好。（CCM時(shí)無(wú)消除電路固有的不穩(wěn)定問題.可用調(diào)節(jié)控制環(huán)增益偏離低頻段和降低瞬態(tài)響應(yīng)速度來(lái)解決CCM時(shí)因傳遞函數(shù) “ 右半平面零點(diǎn) ”引起的不穩(wěn)定。）,Part two,一：變壓器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)： 已知的條件和參數(shù)：power size , Pout ,Vout , Vin , ，f 根據(jù)電源的

8、規(guī)格要求，來(lái)選擇工作的模式，CCM 或者DCM ，比如，要求體積小，輸出功率不大，效率要求不是很高，可采用DCM 。以下電源的設(shè)計(jì)以DCM 為例。,二：詳細(xì)變壓器計(jì)算步驟。 1，選擇完變壓器的工作模式，根據(jù)電源的工作頻率和輸出功率，選擇合適的磁芯。通常會(huì)根據(jù)Ae(磁芯有效截面積) Aw(磁芯窗口面積)法來(lái)選擇. AeAw=(Pt104 )/(2KW BKjf)=選擇的磁芯AeAw. 注：Pt（傳遞功率）:Pin+Pout 。 Kw:窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)要求和輸出路數(shù)決定，一般取0.20.4。 Kj:電流密度 A/cm2 (自然冷卻=400)，在滿足電源尺寸的前提下，盡量選擇長(zhǎng)寬之比比較大

9、的磁芯，這樣窗口有效使用系數(shù)較高，可以減少漏感 。,根據(jù)輸出功率經(jīng)驗(yàn)取磁芯：,50W100W 磁芯選擇：,2 計(jì)算初級(jí)峰值電流IP 對(duì)于DCM,初級(jí)峰值電流IP= 1/2D(max)Vin(min)Pin，求出IP（連續(xù)模式一般IP2取3倍IP1） 再求出Irms=Ip(D/3)1/2 3 根據(jù)Ip算出初級(jí)電感Lp Lp=VinD/Ipf 4 求出初級(jí)線圈NP NP=VinDNs /(1-D) Vin 根據(jù)初級(jí)線圈算出次級(jí)線圈NS Ns= (1-D) VinNP/VinD,6 計(jì)算次級(jí)電流Is 根據(jù)Is=NpIp/Ns,求出Is 7 計(jì)算氣隙lg lg=0.4PiLpIp2/AeB2或者 lg=0.4PiNp2Ae10-8/Lp 對(duì)于反激：氣隙不宜超過(guò)1mm,超過(guò)的話會(huì)導(dǎo)致漏感大, 對(duì)EMI 和開關(guān)管的Spike不利,氣隙超過(guò)1mm,意味著變 壓器不足以滿足該功率。 8 根據(jù)J=Irms /3.14r2 選擇導(dǎo)線的線徑 考慮趨膚效應(yīng)的損耗，選擇的導(dǎo)線線徑應(yīng)該小于2倍的趨膚深度，一般線圈的溫度在70oC時(shí) ，=7.09/f1/2 (cm) ,100oC時(shí)，=7.65/f1/2 (cm)