一款IC开关电源的反激式变压器设计方案(一)

　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动的。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成本，简单和容易得到多路输出。反激式拓扑对于100W以内的系统是实用和廉价的。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，因为与它的变量个数有关，但是它不是很困难，稍有经验就可快速和容易的处理。在变压器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。根据这些我们就可以计算出变压器参数，选择合适的磁芯。如果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电子表格可以容易的处理这些步骤。

　　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，若工作于连续状态时工作频率设置的很低（约20KHz时一般不实用，因为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

　　在开始变压器设计之前，根据电源的规范必须定义一些参数如下：

　　1〕最小工作频率-FMin

　　2〕预计电源效率-η≈0.85~0.9（高压输出），0.75~0.85（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0.5）

　　5）串联谐振电容值-Cres〔建议取值范围为100pf~1.5nf,见图1〕

　　3〕变压器设计步骤

　　首先计算总输出功率，它包括所有次级输出功率，辅助输出功率和输出二极管的压降。通常主要输出电流若大于1A使用肖特基二极管，小于1A使用快恢复二极管，当小电流输出时辅助绕组可用1N4148整流（建议辅助电压为18V,电流为30mA）

　　输出功率（Po）计算的是总的输出功率。

　　根据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，次级和辅助绕组的变比。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。辅助绕组的匝数NB可依下式算出。

　　对于多路输出电源需要反复计算找出最佳变比，需要对输出电压采取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值它也可以用下式由初级电感Lp（μH）和初级匝数Np计算出。

　　初级平均电流Iav可由假定效率η，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控制，最终达到刚才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处出现峰值磁通。由于IR40xx是自准谐振电路，t1与t2的转换依赖于输出负载和输入电压。计算时我们可采用变压器最坏情况下的最低频率，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

　　根据初级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，可以应用第五部分给出的磁芯类型和尺寸选择适当的功率等级。根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2000~3000高斯之间，低于2000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

　　通过改变次级匝数（Ns）可使Bm在所需范围内，也可直接改变初级匝数（Np）。对于专门磁芯增加次级匝数将降低Bm,反过来减少次级匝数将增大Bm.

　　交流磁密BAC的应用可依据厂商提供的磁芯损耗曲线。它给出磁通的交流成分而不是峰峰值。这对不连续变压器设计可很方便由下式算出

　　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μr,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部分研磨，这样有助于防止磁芯边沿磁通泄漏对周围元件