【正文】 式變換器會用到較多的電感元器件，因此在討論設(shè)計之前先簡單地介紹一下磁性元器件的基本知識，接著將討論離線式反激變換器的電路元件參數(shù)選取和變壓器設(shè)計，由于內(nèi)容較多，變壓器的設(shè)計下期將為大家詳細(xì)講解。所以當(dāng)電流增大時，電感內(nèi)部的磁場強(qiáng)度增大，如果想對磁導(dǎo)率保持不變的話，磁感應(yīng)強(qiáng)度也會隨之增大。根據(jù)磁通量、磁鏈的定義以及相關(guān)關(guān)系，我們有如下公式：其中φ表示截面積為A的磁芯中的磁通量，ψ表示磁鏈，N表示線圈匝數(shù)。常見的經(jīng)驗公式中，一般選取Ae和Aw的乘積Ap作為選擇磁芯的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)輸入端接通電源時，對于沒有PFC功能的電路，輸入濾波大電容將造成輸入端出現(xiàn)大的浪涌電流，接入NTC后，由于啟動瞬間NTC溫度較低，阻值較大，有效抑制了浪涌電流。另外需要注意的是保險絲的額定電壓，如果選擇的保險絲額定電壓低于電源最高輸入電壓，可能造成保險絲的兩極之間出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。共模電感和安規(guī)X電容一起組成了共模濾波器。安規(guī)Y電容的容量一般在100nF到幾百nF。市電輸入一般為50Hz或60Hz的工頻信號，輸入整流二極管一般為高壓PiN二極管，因此二極管的功耗主要是導(dǎo)通損耗。在實際應(yīng)用中，為了安全起見，一般選擇最大方向工作電壓為市電最高輸入電壓2倍的二極管。一個周期內(nèi)，在AB段，市電通過整流二極管向電容充電，電容上的電壓上升，在BC段，電容向后級負(fù)載放電，電容上的電壓下降。我們假設(shè)一個周期內(nèi)電容的充電時間為Tch，并且規(guī)定充電時間占周期時長的百分比Dch，根據(jù)經(jīng)驗，我們得到如下的計算過程：其中，I表示電容后接負(fù)載的平均電流，在電容上電壓波動不大的情況下，我們通過下式估算：其中Pin為反激變換器的輸入功率，等于輸出功率與系統(tǒng)效率的比值。在確定輸入濾波電容容量后，就可以得到變換器的輸入直流電壓范圍。變壓器是開關(guān)電源設(shè)計中的難點和重點，變壓器參數(shù)是否合適對整個電源的效率、紋波、輻射等方面有重要影響。所以匝比的選取需要綜合考慮開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力。留有的余量過小，將會導(dǎo)致尖峰抑制電路的設(shè)計變得非常困難。而電感中變化的電流與電感平均電流之間有如下關(guān)系：磁芯的選取應(yīng)同時考慮磁芯截面積Ae和磁芯的窗口面積Aw，常用的經(jīng)驗公式如下(摘自飛兆半導(dǎo)體《采用FPS的反激式隔離ACDC開關(guān)電源設(shè)計指南》)：上式中，Bmax為磁芯最大磁通密度，必須小于飽和磁通密度，對于一般的鐵氧體磁芯。圖七所示電路中的變壓器實際使用了EE20型磁芯，Ae=39mm2，Aw=63mm2，Ap=39*63=2457mm4。Bmax的取值越小，磁芯損耗也越小。對于反向耐壓大于40V的肖特基二極管。得到了初級和次級匝數(shù)后，需要進(jìn)一步求得輔助供電繞組的匝數(shù)。一般情況下，輔助供電繞組的電流很小，相應(yīng)的輸出二極管要求不高，通常使用1N4148之類的小信號高速開關(guān)二極管。由于空氣或者非導(dǎo)磁材料的相對磁導(dǎo)率很低，因此長度很短(零點幾毫米到幾毫米)的氣隙就能使得磁阻大大增加，從而使得磁通密度大大減小，有效防止大電流情況下磁芯飽和。圖中實線為沒有加氣隙的鐵氧體磁芯磁滯回線，虛線為加有氣隙的磁滯回線。對于給出的計算公式，多數(shù)工程人員沒有理解其來源，如果一味搬用，在選取各參數(shù)的單位時，容易出現(xiàn)困惑。如果氣隙只加在中柱，那么Ae和Ag是相等的，等于磁芯材料的中柱截面積。由于計算誤差和測量的誤差，設(shè)計操作時，采用邊磨邊測電感量的方法，直到測得的初級電感量在一定誤差內(nèi)接近計算得到的電感量為止。大牛獨創(chuàng)（五）：反激式開關(guān)電源設(shè)計方法及參數(shù)計算學(xué)習(xí)完上一節(jié)的變壓器磁學(xué)部分的計算，接下來最后一節(jié)我們將討論關(guān)于繞組線徑的選取，筆者至今沒有很好的計算方法，大家如果有好的方法歡迎留言探討，相互學(xué)習(xí)。由于變壓器繞組通常處于密閉環(huán)境中，一般將電流密度取在46A/mm2。采用多線并繞的另一個原因是，當(dāng)銅線線徑過粗時。開關(guān)管關(guān)斷瞬間，由于變壓器和PCB線路漏感無法耦合到次級，將在初級感應(yīng)出一個很高的電壓尖峰，尖峰電壓和輸入直流電壓、次級反射電壓一起加在開關(guān)管上，為了防止尖峰電壓擊穿開關(guān)管，必須采取相應(yīng)措施將這個尖峰電壓鉗位在一定的范圍內(nèi)。前面確定占空比時，我們說過，一般會為MOS管的電壓應(yīng)力留20%左右的余量，對于600V的開關(guān)管，我們留下了120V的余量。輸出二極管根據(jù)其通過的平均電流和反偏時承受的電壓來選取。在第二節(jié)中討論過，開關(guān)管閉合時，輸出二極管反偏截止，此時二極管上承受的最大反偏電壓為輸出電壓加上最大初級反射電壓，如下式：那么這里可以選取3A/40V或以上型號的肖特基二極管。同樣功率CCM的變壓器體積比DCM的大,因為CCM要儲能!請問電流波形對應(yīng)的電壓波形對么?在相同的鐵芯和相同的氣隙，相同的最大 NI（安匝）值下，DCM能達(dá)到最大的輸出功率比CCM大，最大輸出功率狀態(tài)恰好是臨界狀態(tài)；３、在傳輸相同的功率，DCM的峰值電流會比CCM的峰值電流大很多，根據(jù)設(shè)計的不同，差別可能非常大，甚至可能會差10倍到幾十倍(和臨界狀態(tài)功率和最大功率的比例有關(guān))CCM的開關(guān)損耗包括ON損耗，和關(guān)斷損耗，輸出二極管的關(guān)斷損耗，DCM只有開關(guān)的關(guān)斷損耗，而沒有ON損耗，也沒有輸出二極管的關(guān)斷損耗傳輸相同功率，如果不考慮損耗，那么，兩種模式的輸入電流有效值將相同。峰值電流和輸出功率的開方成反比。DCM:discontinuous current mode,電流斷續(xù)模式對于圖七中最大負(fù)載電流2A的情況，輸出二極管的最大平均整流電流理論上大于2A即可。輸出二極管為肖特基二極管或快恢復(fù)二極管，廣義上說，肖特基二極管也屬于快恢復(fù)二極管的一種。鉗位電路產(chǎn)生的功耗等于鉗位電容上的電壓消耗在鉗位電阻上的功耗，而電容上的電壓等于次級反射電壓和漏感能量導(dǎo)致的電壓變化量，于是可以得到下式：漏感的能量全部消耗在鉗位電路中的電阻上，因此有如下關(guān)系式：（暫無）其中VC為電容上的平均電壓，T為開關(guān)周期。實際情況下，直徑超過1mm的銅線繞制起來就比較麻煩了。，取電流密度為5A/mm2，則所需的導(dǎo)線截面積為：根據(jù)第二節(jié)的推導(dǎo)，我們得知次級繞組電流和初級繞組電流之間服從匝比關(guān)系，即次級繞組電流的平均值和變化量等于初級繞組電流平均值和變化量的n倍，n為初次級匝比，而連續(xù)模式下次級電流的占空比等于1減去初級電流占空比，即有如下關(guān)系成立：將以上關(guān)系式帶入初級繞組電流有效值的計算公式中得到次級繞組電流有效值關(guān)系式如下：前期回顧：對于電流較大時，如果選用單股線徑較粗的銅線，由于高頻電流下的趨膚效應(yīng)，會造成電流集中在導(dǎo)線邊緣，造成銅線的實際有效截面積減小，內(nèi)阻增大，銅線損耗增大。由于繞組的損耗來自銅線內(nèi)阻造成的發(fā)熱，所以銅線截面積應(yīng)該按照繞組的有效值電流來算。同樣，墊氣隙時僅以計算得到的氣隙長度作為參考，邊墊邊測直到初級電感量滿足要求。在反激式變換器的計算中，L即初級電感量。上式是電感量的計算公式，其中Rc和Rg分別表示磁芯材料和氣隙的磁阻，不難看出，電感量正比于線圈匝數(shù)的平方，反比于總的磁阻。也就是說，同樣的電流激勵下，增加氣隙后的磁芯磁通密度擺幅大大減小，從而磁芯可以承受比沒有氣隙時大得多的電流偏置。由于鐵氧體材料的相對磁導(dǎo)率很高，當(dāng)線圈中通入較小的電流時，就能在磁芯中產(chǎn)生很大的磁通密度，使磁芯迅速進(jìn)入飽和。開關(guān)管關(guān)斷期間，所有的次級繞組電壓服從匝比關(guān)系，假設(shè)輔助供電繞組匝數(shù)為Na，另有一組次級匝數(shù)Ns2，則有如下關(guān)系式：由上面的關(guān)系式可以得出輔助供電繞組和其它次級繞組的匝數(shù)。初級繞組匝數(shù)和匝比確定后，就可以算出次級繞組匝數(shù)，對圖七所示電路，取匝比11和12時分別有：果選取匝比11，得到的次級繞組匝數(shù)不為整，此時可以適當(dāng)增加初級繞組匝數(shù)，例如將初級增加到99T時，次級可以取9T。對圖七所示電路，計算初級繞組線圈匝數(shù)為：，通過設(shè)定最大占空比求得了次級反射電壓Vor，由于次級反射電壓和次級電感電壓服從匝比關(guān)系，因此匝比由以下公式計算：實際應(yīng)用中，取整數(shù)值11或者12。初級繞組在峰值電流處達(dá)到最大的磁通密度，因此可以求出初級線圈所需的最少匝數(shù)，計算關(guān)系式如下：Bmax為磁芯工作時的最大磁通密度，為了防止磁芯飽和，Bmax必須小于飽和磁通密度Bsat。從圖十一中可以看出，初級電感峰值電流由下式求得：需要注意的是，根據(jù)上述計算得到的Ap值只是一個起點，實際選取磁芯的Ap值一般會比這個值大，甚至大很多。圖十一：初級電感電流波形圖如圖十一重新給出初級電感電流波形，如果一個周期中開關(guān)閉合期間，全部輸入能量存儲在初級電感中，那么輸入功率可以按如下關(guān)系求得：由上面三個式子綜合得出初級電感量可以通過如下關(guān)系式求得：前面提到過，對于最大輸出功率時對應(yīng)連續(xù)工作模式的反激式變換器，KRF取在0到1之間，而在實際應(yīng)用中，對于85265VAC輸入的應(yīng)用，取值越大，電流紋波越大。往期精彩回顧：前面提到，反激式變換器的變壓器可以看做是耦合電感，初級電感量是變壓器最為重要的參數(shù)之一，它直接影響電流紋波和變換器的工作模式?？紤]輸入電壓最小時，對應(yīng)最大的占空比，從第二節(jié)占空比的關(guān)系式可以得出次級反射電壓與占空比存在如下關(guān)系：前面提到過，(這是計算時最常用的值)的話，得到圖七所示電路中初級反射電壓為：不考慮漏感尖峰時開關(guān)管的電壓應(yīng)力為：圖六所示電路中RM6203內(nèi)部開關(guān)管的耐壓為700V，所以余量是比較充足的。如果不考慮漏感尖峰電壓，那么關(guān)斷期間開關(guān)管承受的最大電壓等于輸入最大直流電壓加上次級反射電壓，輸出電壓一定時，變壓器匝比越大，反射電壓越高。大牛獨創(chuàng)（四）：反激式開關(guān)電源設(shè)計方法及參數(shù)計算在經(jīng)過了前三章的學(xué)習(xí)之后，接下來就要學(xué)習(xí)開關(guān)電源設(shè)計中的重點也是難點的變壓器的設(shè)計。從上面的計算可以看出，變換器輸入直流電壓的波動正比于輸入功率，反比于輸入電容容量。輸入濾波電容使整流后的半正弦信號變?yōu)橄鄬ζ教沟闹绷麟?，電容量的大小決定了直流的平坦度。但是考慮到額定電流更大的二極管發(fā)熱更低，并且在大的輸入濾波電容作用下，流過整流二極管的電流波形為尖脈沖，為了增加二極管的壽命和可靠性，通常選擇額定電流遠(yuǎn)大于計算所得到的最大平均電流。共模電感選取的另一個要點是保證輸入電流不會導(dǎo)致磁芯的飽和。對于共模濾波器電感，電感量在幾mH到幾十mH，一般情況下，功率越大時，共模電感的電感量越小。對于熱敏電阻，我們首先需要了解穩(wěn)定情況下的阻值，然后根據(jù)阻值和最大有效值電流得出電阻上的功耗，最后選取額定功率大于計算值的電阻。由于保險絲和熱敏電阻都屬于阻性元件所以選取時根據(jù)有效值電流計算。反激式變換器的輸入端通常串聯(lián)保險絲盒一個標(biāo)稱阻值幾歐到幾十歐的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，保險絲的作用顯而易見，在電路出現(xiàn)短路或者過流時，為整個電路提供最后一道保護(hù)屏障。在實際的工程應(yīng)用中，增加線圈的匝數(shù)一方面可能導(dǎo)致磁芯無法容納所有繞組，另一方面會導(dǎo)致電感的內(nèi)阻增加，線圈損耗增加，從而不得不增加線徑，使得磁芯容納繞組更加困難。為了防止磁芯進(jìn)入飽和，我們必須將磁芯中才磁感應(yīng)強(qiáng)度限定在一定的范圍內(nèi)，另外，考慮到磁芯的損耗也