多路输出正激式变换器耦合滤波电感的设计

如果希望纹波电流大部分流入高压输出UO2′这一路，则要求L12′比L11小得多。归一化电路如图7所示。对耦合电感进行特殊的工艺设计，就可以达到以上的目的。为了使低压输出UO1的漏感较大，可使UO1的滤波绕组位于电感的内层，而UO2的绕组位于外层，就可达到以上的目的。对于EE型铁氧体磁芯，漏感量通常小于互感量的10％，如果两个绕组双线并绕，该值约为2％。

图8为图7电路的归一化小信号模型。由于L12′较L11小得多，为简化分析，可忽略L12′，并假设UV1、UV2为0。在图8中，互感Lm和C2′组成主LC滤波器，而由L11和C1组成附加的LC滤波器。而如果附加的L11、C1滤波器的Q值大于1，控制环可能产生不稳定。特别是如果选定15V输出（UO2）作反馈环，虽然15V输出控制稳定，5V输出（UO1）有可能在L11－C1的谐振频率上产生自激。所以应使L11、C1滤波器Q值小于1。如果选定5V（UO1）作反馈环，则电路为两级LC电路控制，有可能产生180°的相移。由于Lm较大，采用电流控制方式时，将使第一节LC电路远离90°的相移，对系统的稳定性十分有利。

4仿真结果

对无耦合和有耦合电感的两路输出正激变换器的仿真电路分别按图1、图2进行。

为便于观察，设UO1为5V、10A，UO2也为5V、10A，主控网络为UO1，开关频率f=100kHz,L1=L2=10mH，有耦时，耦合系数为0.95，电感量L11=0.5μH,且位于UO1输出，C1=C2=3000μF,ESR1=ESR2=0.1Ω

仿真结果如图9所示。

5设计实例

图2电路中，输出1：5V，20A100W

输出2：15.8V,5A80W

归一化输出2：5.27V,15A80W

首先决定主变压器输出绕组和耦合电感的匝数比。

N2∶N1=(15.8＋1)∶(5＋0.6)=16.8∶5.6=3∶1(8)

初级MOS管截止时计算电感量，占空比最小（D=0.25）时，对100kHz开关频率，最大截止时间Δt=7.5μs，最大纹波电流ΔIm=6A（满载电流的17％），则有：

Lm=E·Δt/ΔIm=5.6×7.5/6=7μH(9)

设5V输出端的漏感为700nH（7μH的10％），附加100nH的引线电感，则L12′为11nH（=100nH/n2），则IL的分配为：

输出1：6A·11/(800＋11)=0.08App

归一化输出2：6A·800/(800＋11)=5.9App

输出2：5.9A/3=2App

设最小负载电流（ΔI），

输出1：0.5A

输出2：2A

最大输出纹波（ΔU）要求

输出1：0.05V(输出的1％)

输出2：0.15V（输出的1％）

则

C1=(ΔI)/(8fΔU)

=0.5/(8×105×0.05)=12.5μF(10)

ESR1=ΔU/ΔI=0.05/0.5=0.1Ω(11)

C2=(ΔI)/(8fΔU)=2/(8×105×0.15)

=16.7μF(12)

ESR2=ΔU/ΔI=0.15/2=0.075Ω(13)

实际使用中，由于电解电容器的ESR与直径有关，实选：

C1:10V,1000μF,0.1Ω

体积（D×H）：1.3cm×2.9cm

C2:25V，470μF，0.07Ω

体积（D×H）：1.7cm×2.9cm

对上述参数的试验电路实测结果如下：

输入电压220V，输出1为5V、10A；输出2为15.8V、3A。

5V纹波Vpp=28mV，15.8V纹波Vpp=80mV。　　当输出1为5V、10A负载时，输出2为15.8V的负载从1A变为5A时，其电压从16.0V变化至15.5V，纹波则在75mV～105mV之间变化。

6几点说明

（1）由于绕制工艺的不同，漏感将在很大范围内变化，为控制2％～10％的漏感范围，最好采用罐形或环形磁芯，双线并绕，低压绕组在里层，或“三明治”绕法，将低压输出滤波绕组夹在高压输出滤波绕组之间，低压输出的纹波将大大减小。

（2）在前述的分析中，整流、续流对管不可能完全对称，而两路输出的对管的正向压降也会不同。这种不同只会影响输出电压的大小，而对纹波电流的影响，则可通过前述的“漏感”方法予以消除。

（3）上述“漏感”方法有时不易控制，可以用耦合电感匝数的小量变化获得同样的效果。对于纹波要求较小的那一路输出的绕组匝数，可乘以110或105的系数。

如果另外加一个独立的小电感，也可以获得同样的效果。

（4）上述的分析是以两路输出同为正电压进行的。如果一组输出为负，则耦合电感的同名端应予变化。对于双线并绕的情况，只要将一组绕组的出端与入端对调即可。只是这种对调使两个绕组中的电流方向相反，因而会产生附加的纹波电流。所以实际的绕制工艺，应一组采用顺时针方向绕制，另一组采用反时针方向绕组，这样可获得最佳效果。

（5）上述两路输出的分析也适用于三路或更多路输出的情况。但首先要满足电感的匝数比等于主变压器的输出绕组的匝数比，再考虑漏感对纹波的影响。

（6）本文分析的耦合滤波电感的原理