【導(dǎo)讀】字控制電路，能完成隔離變壓、調(diào)整穩(wěn)壓、自動(dòng)保護(hù)等開關(guān)電源需要的全部功能。外部元器件很少，因此它能大為簡化電源的設(shè)計(jì)。又因它的開關(guān)頻率高達(dá)100KHz，從而能。明顯縮小電源變壓器的尺寸，并且允許使用更小的儲(chǔ)能元件。其輸出功率功率可達(dá)50W，當(dāng)電網(wǎng)電壓為195-265ACV時(shí)，輸出功率則達(dá)100W。壓的安全防護(hù)，控制回路的穩(wěn)定性能等。這就提出了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：它的設(shè)計(jì)涉及到需要。綜合協(xié)調(diào)的許多可變因素。正是由于TOPSwitch的高度集成化，才使得這項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)被大。因?yàn)樗行У目s減了設(shè)計(jì)變數(shù)項(xiàng)目，并且建立了IC內(nèi)部回路的穩(wěn)定性，所以發(fā)。程圖中，快速的得到較滿意的結(jié)果。在構(gòu)思階段的流程圖，是做成一個(gè)框圖來提供全局的概貌，并指出完整的設(shè)計(jì)步驟。管），加到TOPSwitch的偏置腳端；2)選擇足夠的最小功率規(guī)格TOPSwitch-IC器件；3)根據(jù)已選的TOPSwitch器件，設(shè)計(jì)最小號(hào)的主功率變壓器；電網(wǎng)頻率Lf：為50Hz或者60Hz；TOPSwitch的開關(guān)頻率Sf：為100kHz；，可得到不同的原邊脈動(dòng)電流與峰值電流之比值RPK。

　　

【正文】 的元器件。 設(shè)計(jì)反激式變壓器時(shí)，需要反復(fù)用方程式計(jì)算，這并不困難。這種方法用于連續(xù)狀態(tài)，也同樣用于設(shè)計(jì)非連續(xù)狀態(tài)，它有三個(gè) 步驟： ① 識(shí)別和估計(jì)獨(dú)立的變數(shù)（輸入電壓），它取決于應(yīng)用詳情、變壓器的鐵芯以及選擇的 TOPSwitch 器件； ② 識(shí)別和計(jì)算依從的參數(shù)值（輸出電壓和電流）； ③ 反復(fù)調(diào)節(jié)獨(dú)立的變數(shù)，直到選定依從參數(shù)，讓實(shí)際變壓器的參數(shù)在確定的限度內(nèi)。 可利用計(jì)算流程圖，來自動(dòng)設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，并不斷改革方法。引進(jìn)新的參數(shù) RPK ，是原邊脈動(dòng)電流于峰值電流之比，用來描述 TOPSwitch 漏極電流波形，以簡化隨后的計(jì)算過程。 計(jì)算用的特定獨(dú)立變數(shù)包括：最小和最大的交流輸入電壓、電網(wǎng)頻率、 TOPSwitch 開關(guān)頻率、輸出電壓和偏置電壓、輸出頻率、橋式整流導(dǎo)電時(shí)間、輸入儲(chǔ)能電容器尺寸大小、電源頻率、在原邊于副邊電路的功耗分配。 取決于變壓器鐵芯的結(jié)構(gòu)的變數(shù)包括：有效的鐵芯截面積、磁路長度、無間隙時(shí)的有效電感、繞線架物體繞組寬度、邊緣寬度（用于漏電距離和安全絕緣）、原邊繞制層數(shù)、副邊繞組匝數(shù)。 取決于 TOPSwitch 的變數(shù)包括：開關(guān)頻率、反射輸出電壓、脈動(dòng)于峰值電流比例和TOPSwitch 導(dǎo)通壓降等。 對于一個(gè)給定的應(yīng)用和變壓器鐵芯，在反復(fù)調(diào)節(jié)期間，將計(jì)算或估計(jì)這些獨(dú)立的變化量，一旦完成則維持固定數(shù)據(jù)。只有 三個(gè)變數(shù)：副邊繞組匝數(shù) SN 、脈動(dòng)與峰值電流比例 RPK 和原邊繞組層數(shù)，它們在反復(fù)調(diào)節(jié)過程中將會(huì)有變化。 依從參數(shù)可劃分為四組： DC 直流輸入電壓、原邊電流波形、變壓器的設(shè)計(jì)和電壓應(yīng)力等。在 AC 交流電壓整流和濾波之后， DC 直流輸入電壓參數(shù)簡化為兩個(gè)：最小直流輸入電壓值和最大直流輸入電壓值。原邊電流波形參數(shù)包括：最大占空比、平均電流、峰值電流、脈動(dòng)電流和有效值（ RMS）電流。這些數(shù)據(jù)完全限定了變壓器原邊電流，并且確定了是工作在連續(xù)狀態(tài) 還是工作在非連續(xù)狀態(tài)。 變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)包括原邊電感量、原邊匝數(shù)、偏置繞組匝數(shù)、加氣隙時(shí)的有效電感量、最大磁通密度、電流密度、無氣隙時(shí)的相關(guān)導(dǎo)磁率、估計(jì)的氣隙長度、有效繞線架寬度、原邊絕緣導(dǎo)線直徑、絕緣隔離層厚度、裸線導(dǎo)體的交叉部分、原邊電流容量，以及副邊繞組設(shè)計(jì)參數(shù)。電壓應(yīng)力參數(shù)確定了 TOPSwitch 在截止?fàn)顟B(tài)下的最大漏極電壓和輸出整流二極管的峰值反向電壓。 在所有這些依從參數(shù)中，只有三個(gè)參數(shù)需要反復(fù)調(diào)節(jié)，經(jīng)檢查和比較后，設(shè)在限定值內(nèi)：最大磁通量密度 mB 、氣隙長 度 gL 和原邊電流容量 CMA三者，經(jīng)反復(fù)核對，直到這三個(gè)參數(shù)都在規(guī)范的限度內(nèi)。其他的依從參數(shù)或中間計(jì)算值，或是按結(jié)構(gòu)由制作者使用的參數(shù)，或是按規(guī)定的元件由設(shè)計(jì)者來選用。在開始設(shè)計(jì)變壓器之前，弄清在連續(xù)狀態(tài)和非連續(xù)狀態(tài)下的原邊電流波形與副邊電流波形是必要的。 圖 3－ 19 給出了用 TOP202YAI 在輸出 15W 時(shí)，在非連續(xù)狀態(tài)下反激式變壓器原邊與副邊的實(shí)測電壓波形和電流波形。它是在 220 ACV 電網(wǎng)輸入電壓條件下測量的，其原邊電感量與 110 ACV 輸入時(shí)不同。當(dāng) TOPSwitch 導(dǎo)通時(shí)，原邊繞組下端接近地電平，加在變壓器繞組上的有效值直流輸入電壓，使原邊電流 PRII 按變化率 )( dtdi 線性地增大，其變化率與直流輸入電壓成正比，與原邊電感量成反比。脈動(dòng)電流 RI 定義為：在 TOPSwitch 導(dǎo)通時(shí)間里)(ONt ，線性電流升高的增量。 原邊電流峰值 pI 是出現(xiàn)在 TOPSwitch 截止時(shí)的終端值。與電流峰值 pI 成比例的能量，被儲(chǔ)存在變壓器鐵芯磁場中。此時(shí)原邊繞組可認(rèn)作是一個(gè)簡單的電感器。副邊繞組的反射電壓，其極性與原邊繞組下端相同，其大小按匝數(shù)比與原邊電壓成正比。當(dāng) TOPSwitch 導(dǎo)通時(shí)，輸出二極管 D2 和偏置二極管 D3 被反向偏置，阻止了副邊電流的流動(dòng)。 當(dāng) TOPSwitch 截止時(shí)，劇變的磁場在變壓器各繞組引起一個(gè)突變的反向電壓，使副邊繞組電壓變?yōu)樯险仑?fù)，則二極管 D2 和 D3 正偏導(dǎo)通， 使副邊電流快速升高到峰值 SI ，它與原邊峰值電流 pI 按匝數(shù)比成正比，使原邊電流立刻降到零。 TOPSwitch 的漏極電壓則快速升高到較高值：它等于直流輸入電壓與反射輸出電壓兩者之和，而副邊繞組的工作電流則線性地較小，其變化速率與輸出電壓成正比，并且與副邊電感成反比關(guān)系。 占空比 D 的定義為： TOPSwitch 導(dǎo)通時(shí)間 ONt 與開關(guān)周期 T 之比。 D 也可以由 ONt 和開關(guān)頻率來計(jì)算，如下式所示： ONONON ftTtD ??? (364) 圖 3－ 19 給出了 TOPSwitch 和輸出二極管的三角形電流波形，它是定義在“非連續(xù)”狀態(tài)下工作，由較低的原邊電感量引起的。在 TOPSwitch 再次導(dǎo)通之前，副邊電流線性地減小到零，儲(chǔ)存的能量完全提供給負(fù)載。 TOPSwitch 的漏極電壓緩慢地變化，并且在原邊與副邊都沒有電流時(shí)，漏極電壓振蕩之后降為直流電網(wǎng)電壓值。 圖 3－ 19 圖 3－ 20 給出了其梯形的電流波形，定義為“連續(xù)”狀態(tài)下的電流工作過程，它是由較大的原邊電感量引起的。當(dāng)下一個(gè)周期開始使 TOPSwitch 導(dǎo)通時(shí)，副邊電流仍然在流動(dòng)，即儲(chǔ)存的能量沒有完全提供給負(fù)載。當(dāng) TOPSwitch 再次導(dǎo)通時(shí)，由于非零磁場使能量剩余在鐵芯中，因此 TOPSwitch 導(dǎo)通時(shí)的電流出現(xiàn)一個(gè)初始的階躍（臺(tái)階）。 TOPSwitch 截止時(shí)的漏極電壓 DRAINV 一直停留在高壓值上，它等于直流輸入電壓與反射輸出電壓之和，直到TOPSwitch 開關(guān)再次導(dǎo)通為止。 在同一時(shí)間里，電流不會(huì)同時(shí)在原邊繞組與副邊繞組中流動(dòng)。實(shí)際上，原邊電流和副邊電流都不是連 續(xù)的。在反激式電源中，連續(xù)與非連續(xù)狀態(tài)，取決于在整個(gè)開關(guān)周期里變壓器鐵芯中的磁場是否有連續(xù)性能（反激式電源是一個(gè)隔離型的簡單反向升壓變換器，它的連續(xù)狀態(tài)或非連續(xù)狀態(tài)，由電感器中的電流連續(xù)性來確定。 原邊電流波形有峰值電流 pI 、脈動(dòng)電流 RI 、平均電流 AVGI 及有效值（ RMS）電流 RMSI等。 pI 確定了原邊繞組匝 數(shù)和鐵芯尺寸，并限制了峰值磁通量密度，它必須低于 TOPSwitch的峰值電流。 AVGI 是平均電流（或稱直流原邊電流），它正比于功率級(jí)的直流輸出電流，即正比于輸出功率。 圖 3－ 20 在非連續(xù)工作狀態(tài)下設(shè)計(jì)的變壓器，有一個(gè)較高的峰值電流，并且有一個(gè)脈動(dòng)電流于峰值電流的比值 RPK 。實(shí)際上，連續(xù)狀態(tài)設(shè)計(jì)的電流峰值較低，并且 RPK 小于 ，其典型值大于 。 RPK 的值反比于原邊繞組電感量，所以連續(xù)狀態(tài)設(shè)計(jì)的 RPK 值較低，原邊繞組將有較高的電感量。連續(xù)狀態(tài)的變壓器設(shè)計(jì)有一個(gè)實(shí)際的原邊電感量上限，它近似等于在相同輸入電壓和輸出功率時(shí)的非連續(xù)狀態(tài)設(shè)計(jì)的 4 倍，這是由于峰值電流和 RPK 值的差異造成的。 連續(xù)狀態(tài)和非連續(xù)狀態(tài)下的原邊電流波形如圖 3－ 19 和圖 3－ 20 所示，由于它們提供了相同的輸出功率，因此它們的平均電流值 AVGI 應(yīng)相同（假定有相同的效率）。非 連續(xù)電流波形有較高的峰值，因此會(huì)有較高的有效電流值。非連續(xù)狀態(tài)需要較小的電感量，它可以縮小變壓器的尺寸，但是開關(guān)損耗較高、效率較低，這是有較高的有效值電流引起的。相反，連續(xù)狀態(tài)需要較高的電感量，它有較大的變壓器尺寸，但可提供較高的效率和較低的功耗。在變壓器尺寸與電源效率之間應(yīng)適當(dāng)?shù)卣壑裕@還取決于實(shí)際應(yīng)用中的封裝形式和它的散熱環(huán)境。 可在連續(xù)狀態(tài)下分析控制環(huán)。由于反饋控制環(huán)的分析較困難，所以多數(shù)設(shè)計(jì)者注意避免去討論可能出現(xiàn)的連續(xù)工作狀態(tài)。非連續(xù)工作狀態(tài)的電源，可以模擬為具有一個(gè)單一極點(diǎn)的響應(yīng)系統(tǒng)，它的分析是 簡單確定的。 雖然連續(xù)工作狀態(tài)改進(jìn)了電源的效率，減少了損耗、元件溫升較低、有較高的輸出功率，但是它的動(dòng)態(tài)分析較為困難：右半平面的零點(diǎn)和復(fù)數(shù)極點(diǎn)對偶，均會(huì)隨著占空比而移動(dòng)。然而，穩(wěn)定在連續(xù)工作狀態(tài)下的 TOPSwitch 電源是十分簡易可行的。由于 TOPSwitch 的最大占空比達(dá)到 MAXD 70％，它限制了右平面零點(diǎn)和復(fù)數(shù)極點(diǎn)對偶的遷移，所以在電網(wǎng)和負(fù)載變化均在連續(xù)狀態(tài)時(shí)，相位失真可限制到較小值。 若考慮功率回路的有效串聯(lián)電阻和輸出電容器的有效串聯(lián)電阻（ ESR），那么允許的相位 失真通常會(huì)高于期望的值。交叉區(qū)寬度在 1kHz 或者更寬些，容易達(dá)到最小值為 45 度的允許相位失真?？蓞⒖加嘘P(guān)應(yīng)用在連續(xù)工作狀態(tài)的電路技術(shù)。 在開始設(shè)計(jì)之前，變壓器的鐵芯、繞組和安全引出線也必需加以討論。 變壓器的鐵芯和結(jié)構(gòu)參數(shù)，取決于在裝配中所選用的磁芯和繞組技術(shù)。當(dāng)選擇鐵芯時(shí)，通常其物理高度和成本是最重要的。這對于交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)接器中的電源十分重要，因?yàn)橥ǔＫ鼈兎庋b在密閉塑料盒內(nèi)。當(dāng)應(yīng)用元件高度允許的尺寸要求較小時(shí)，可使用低成本 EE 型或者EI 型鐵芯（例如日本的 TDK 和 TOKIN 公司產(chǎn)品，或者歐洲的 PHILIPS、 SIEMENS 和THOMSON 公司產(chǎn)品）。 當(dāng)設(shè)計(jì)應(yīng)用需要較小的磁鐵截面積時(shí)，可利用 EFD 型鐵芯產(chǎn)品。如果要設(shè)計(jì)多重輸出電源時(shí)， EER 型鐵芯提供了一個(gè)大的窗口面積，它需要的匝數(shù)較少，其繞線架的可用引出腳較多。當(dāng)空間不是問題時(shí)， ETD 型鐵芯通常用于較高的功率。 PQ 型鐵芯比較昂貴，但它占據(jù)的印制版空間較少，并且比 E 型鐵芯需要的匝數(shù)少些。對于安全絕緣要求高的場合，應(yīng)使用罐型鐵芯、 RM 鐵芯。環(huán)型鐵芯通常不適合作反激式電源變壓器。 反激式電源變壓器在原邊與副邊繞組之間必需有絕緣措施。例 如，通信技術(shù)設(shè)備必須滿足歐洲的 IEC950 的電氣絕緣標(biāo)準(zhǔn)要求。這些文件同時(shí)詳細(xì)說明了使用于變壓器結(jié)構(gòu)的絕緣系統(tǒng)的漏電和間隔距離。通常在變壓器的原邊與副邊之間需有 5～ 6mm 的漏電距離（符合規(guī)范和要求）。電氣絕緣指標(biāo)通常是指定電氣強(qiáng)度的測試，施加典型值 3000 ACV 交流高壓的時(shí)間長達(dá) 60 秒不被擊穿。如果每個(gè)絕緣隔層的電氣強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，那么在變壓器原邊與副邊之間可采用兩個(gè)絕緣層，一層是基本的，另一層是補(bǔ)充的。如果兩個(gè)絕緣層組合，仍不符合電氣強(qiáng)度要求，也可采用帶增強(qiáng)的三 個(gè)絕緣層。 圖 3－ 21 給出了大多數(shù)反激式變壓器在繞組兩側(cè)邊緣使用的限制技術(shù)。通常，邊緣限制是用膠帶來隔層的，膠帶開縫的寬度要求留有邊限，便于包裹封裝，以足夠的隔層來配合繞組高度。一般情況下，線圈單側(cè)絕緣限度是半個(gè)原邊繞組到副邊繞組的漏電距離（通常是）。鐵芯和骨架應(yīng)當(dāng)選擇得足夠大，實(shí)際上繞組的絕緣寬度最小是兩倍的總漏電距離。注意保持變壓器的耦合并減小漏感。原邊繞組是在邊框之內(nèi)卷繞的。為了減少因絕緣磨損引起的隔層電壓擊穿，改進(jìn)層與層之間的絕緣，并減少分布電容，原邊線圈的隔層應(yīng)最少用一層 UL 規(guī)范 要求的聚脂薄膜膠帶（ 3M1298）絕緣隔離，在邊框之間膠帶應(yīng)有適合的寬度。 圖 3－ 21 用清漆或環(huán)氧樹脂浸漬也可以改進(jìn)隔層之間的絕緣性能與電氣強(qiáng)度，但不能減少分布電容。偏置繞組可以隨后卷繞在原邊繞組上。補(bǔ)充的或增強(qiáng)的絕緣，由兩層或三層符合 UL 規(guī)范要求的聚脂薄膜膠帶剪成骨架的滿寬度，然后再包裹在原邊繞組與偏置繞組外邊緣部分還需再三卷繞隔離。副邊繞組被卷繞在邊界之內(nèi)。另外，還要增加兩層或三層膠帶來固定繞組。絕緣套管常用于套隔導(dǎo)線跨越所有繞組時(shí)，確保在導(dǎo)線穿越之外符合漏電距離的要求。 應(yīng)使用最小壁 厚為 的尼龍或四氟乙烯套管，使繞組符合安全的絕緣要求。考慮到因變壓器鐵芯是被隔離的無電壓金屬材料，也就是說鐵芯雖然導(dǎo)電，但沒有任何部分接觸電路，因此它是安全的。從原邊繞組（或者導(dǎo)線通過之處）到鐵芯的距離，以及從鐵芯到副邊繞組（或者導(dǎo)線通過之處）增加的距離，必須等于或者大于規(guī)范要求的漏電距離。 當(dāng)原邊繞組有多個(gè)絕緣隔層時(shí)，圖 3－ 21 給出了原邊的 Z 形繞法和 C 形繞法。注意接TOPSwitch 漏極的原邊端繞線，它被埋在第二個(gè)隔層之下，可作自身屏蔽，減少電磁干擾EMI(共模傳導(dǎo)輻射電流 )。 Z 形繞法減 少了變壓器的分布電容，也就減少了 TOPSwitch 的高頻交變損耗，并且改進(jìn)了效率，但繞制較困難，卷繞成本較高。而 C 形繞法比較容易實(shí)現(xiàn)，其繞制成本較低，但它的損耗較高，使效率降低。 圖 3－ 22 給出了一種新的工藝：在副邊采用雙重或三重絕緣導(dǎo)線，以消除所需的邊緣限制（絕緣導(dǎo)線的規(guī)范，可在有關(guān)資料中查到）。在雙重絕緣導(dǎo)線中，通常每個(gè)絕緣隔層都能符合安全的電氣強(qiáng)度要求；在三重絕緣導(dǎo)線中，每兩個(gè)隔層之間都起絕緣效果，通常應(yīng)符合電氣強(qiáng)度要求。在變壓器骨架的繞制和焊接過程中，特別要注意防止絕緣層的損傷，細(xì)心總結(jié)實(shí)際 的制作工藝與技巧。 上述工藝減小了變壓器的尺寸，并且降低了增加邊緣界線的工作量，但其材料成本較高，并會(huì)增多繞組的成本。原邊繞組被卷繞在骨架邊緣的全部寬度上?？梢钥紤]把偏置繞組覆蓋原邊繞組。在原邊或偏置繞組與副邊繞組之間，通常需要有一層膠帶，以防止絕緣導(dǎo)線的磨損。為了固定絕緣繞組，還須另外增加一層膠帶。 圖 3－ 22 圖 3－ 23 還標(biāo)出了卷繞偏置繞組的交替繞制位置，它直接覆蓋了副邊繞組，可 改進(jìn)與副邊繞組的耦合效果，并且減小漏感（即改進(jìn)了偏置繞組反饋電路中的負(fù)載調(diào)整率）。要注意由于偏置繞組是屬于原 邊電路，在副邊繞組與交替的偏置繞組之間，應(yīng)在卷繞變壓器的邊緣界線時(shí)，必須加有另外的絕緣隔層，以補(bǔ)充或增強(qiáng)絕緣性能。 產(chǎn)品手冊中變壓器其他繞制工藝示意圖見圖 3－ 2圖 3－ 24。 圖 3－ 23 圖