反激变换器(Flyback)的设计和计算步骤
反激变换器(Flyback)的设计和计算步骤
齐纳管吸收漏感能量的反激变换器：
0. 设计前需要确定的参数
A 开关管Q的耐压值：Vmq
B 输入电压围：Vinmin ～ Vinmax
C 输出电压Vo
D 电源额定输出功率：Po（或负载电流Io）
E 电源效率：X
F 电流/磁通密度纹波率：r（取0.5，见注释C）
G 工作频率：f
H 最大输出电压纹波：Vopp
1. 齐纳管DZ的稳压值Vz
Vz <= Vmq × 95% - Vinmax，开关管Q承受的电压是Vin + Vz，在Vinmax处还应为Vmq 保留5%裕量，因此有Vinmax + Vz < Vmq × 95% 。
2. 一次侧等效输出电压Vor
Vor = Vz / 1.4（见注释A）
3. 匝比n（Np/Ns）
n = Vor / (Vo + Vd)，其中Vd是输出二极管D的正向压降，一般取0.5～1V 。
4. 最大占空比的理论值Dmax
Dmax = Vor / (Vor + Vinmin)，此值是转换器效率为100%时的理论值，用于粗略估计占空比是否合适，后面用更精确的算法计算。
一般控制器的占空比限制Dlim的典型值为70%。
----------------------------------------------------------------------------- 上面是先试着确定Vz，也可以先试着确定n，原则是 n = Vin / Vo，Vin可以取希望的工作输入电压，然后计算出Vor，Vz，Dmax等，总之这是计算的“起步”过程，根据后面计算考虑实际情况对n进行调整，反复计算，可以得到比较合理的选择。
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5. 负载电流Io
Io = Po / Vo，如果有多个二次绕组，可以用单一输出等效。
6. 一次侧有效负载电流Ior
Ior = Io / n ，由Ior × Np = Io × Ns得来。
7. 占空比D
D = Iin / (Iin + Ior)，其中Iin = Pin / Vin，而Pin = Po / X。这里Vin取Vinmin。（见注释B）
8. 二次电流斜坡中心值Il
Il = Io / (1 - D)
9. 一次电流斜坡中心值Ilr
Ilr = Il / n
10. 峰值开关电流Ipk
Ipk = (1 + 0.5 × r) × Ilr
11. 伏秒数Et
Et = Vinmin × D / f ，（Et = Von × Ton = Vinmin × D/f）
12. 一次电感Lp
Lp = Et / (Ilr × r)
13. 磁芯选择
（1）Ve = 0.7 × (((2 + r)^2) / r) × (Pin / f)，Ve单位cm^3；f单位KHz，根据此式确定磁芯有效体积Ve，寻找符合此要求的磁芯。（见注释D）
（2）最适合反激变压器的磁芯是“E Cores”和“U Cores”，“ETD"、”ER"、“RM"这三种用于反激性能一般，而“Planar E”、“EFD"、”EP"、“P"、”Ring"型不适合反激变压器。
（3）材质选锰锌铁氧体，PC40比较常用且经济。
14. 一次匝数Np
Np = (1 + 2/r) × (Von × D)/(2 × Bpk × Ae × f)，其中Von = Vinmin - Vq， Vq 是开关管Q的导通压降；Bpk不能超过0.3T，一般反激变压器取0.3T；Ae是磁芯的有效截面积，从所选磁芯的参数中查的。（公式推导见注释E，说明见注释F）
15. 二次匝数Ns
Ns = Np / n，此值小数不可忽略时向上取整，如1.62T取2T，然后重新计算Np = Ns × n 。
16. 匝数调整后实际磁通密度变化围验证
Bpk = Bpk0 × Np0 / Np，Bpk0、Np0是调整前的磁通密度峰值和一次匝数。（根据：Bpk 与匝数成反比）
dB = (2r/(r + 2)) × Bpk
17. 气隙系数z
z = (1 / Lp) × (u × u0 × Ae / le) × Np^2，其中u是磁芯材料的相对磁导率，Ae、le分别是磁芯的有效截面积和有效长度，这些参数由磁芯手册提供，u0是真空磁导率，值为4 × PI × 10^(-7) 。（见注释G）
18. 气隙长度lg
lg = le × (z - 1) / u，其中u是磁芯材料的相对磁导率。（见注释G）
19. 绕组导线的集肤深度h
h = 66.1 × (1 + 0.0042 × (T - 20)) / f^0.5，所得单位为mm，其中T是工作温度，可取80，即最高环境温度40摄氏度时可以有40度的温升。
20. 绕组导线的线径d
d = 2h，若选用铜皮，则铜皮厚度同样按此计算，即 2h 。
21. 绕组导线的电流承载能力Im
Im = PI × (d/2)^2 × J，其中J是电流密度，反激变压器一般取典型值 493 A/cm^2（400 cmil/A）。
22. 一次绕组导线的股数Mp
Mp = Ilr / Im
23. 二次绕组导线的股数Ms
Ms = Il / Im
24. 确定变压器组装结构
根据上面计算的变压器各项参数，合理安排绕组排列、绝缘安排等，绕组安排（从磁芯由近及远）可参考如下：
（1）一般排列是，一次，二次，反馈。
（2）二次，反馈，一次，这种排法有利于一次绕组对磁芯的绝缘安排。
（3）一半一次，二次/反馈，一半一次，这种排法有利于减少漏感。
25. 输出二极管的额定电流Idm
Idm = 2 × Io（见注释H）
26. 输出二极管的额定电压Vdm
Vdm = (1 + 20%) × (Vo + Vinmax / n) （见注释I）
27. 开关管的额定电流Iqm
Iqm = 2 × Ilr × (D × (1 + r^2/12))^0.5 （见注释J）
28. 开关管的额定耐压Vqm
Vqm = (1 + 20%) × (Vor + Vinmax) （见注释K）
29. 输入电容值Cin
Cin = Kcp × Po / X，系数 Kcp 取经验值 3uF/W 。
30. 输入电容额定电流纹波Icind
Icind = Ilr × (D × (1 - D + r^2/12))^0.5 （见注释L）
31. 输入电容的耐压Vcin
Vcin = (1 + 30%) × Vinmax ，30%为保留裕量。
32. 输出电容值Co
Co = Io × D / (f × Vopp) ，（见注释M）
33. 输出电容额定电流纹波Icod
Icod = Io × ((D + r^2/12) / (1 - D))^0.5 （见注释N）
34. 输出电容的耐压Vco
Vco = (1 + 30%) × Vo ，30%为保留裕量。
35. 反向二极管D1的耐压Vd1
Vd1 = (1 + 20%) × Vinmax ， 20%为保留的裕量。
36. 反向二极管的电流Id1
Id1 = 0.2 × Ilr （见注释O）
37. 漏感Llk
Llk = Lp × 0.05，根据经验取一次电感的5%，一般反激变压器为2%～20%。
38. 齐纳管功率Pz
Pz = Llk × Ipk^2 × (Vz / (Vz - Vor)) × f，此处为2倍计算的功率值以留足够裕量。（见注释A）
----------------------------------------------------------------------------- 齐纳管损耗可能会比较大，以致无法找到合适器件，所以需要对尖峰吸收电路进行更改，实际应用中一般较多采用RCD电路对漏感尖峰进行吸收，下面的计算针对此RCD电路。
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RCD吸收漏感能量的反激变换器：
39. RCD电路电容最大电压Vcmax（见注释P）
Vcmax = Vor / D
40. RCD电路电容值Crcd（见注释P）
Crcd = Ipk^2 × Llk / (Vcmax^2 × (1 - e^(2 × ln(D) / (1 - D)))
41. RCD电路电阻值Rrcd（见注释P）
Rrcd = (D - 1) / (C × f × ln(D))
42. RCD电路电阻功率Pr（见注释P）
Pr = Llk × Ipk^2 × f，此值为2倍的电阻实际消耗功率，以留出足够裕量。
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如果漏感损耗较大，或考虑进一步提高效率，齐纳管钳位和RCD吸收都无法满足要求，可以考虑LCD无损吸收网络，它可以把漏感能量重新返回输入电容，下面的计算针对此部分。--------------------------------------------------------------------------------------------
LCD无损吸收的反激变换器：
43. 缓冲电容低压Vcr0（见注释Q）
Vcr0 = Vor （根据情况可选择略高于此值）
44. 缓冲电容高压Vcr1（见注释Q）
Vcr1 = k × Vcr0，k是系数，可根据情况选1.5～3，也可以更高，但需注意Q的耐压。
45. 缓冲电容值Cr（见注释Q）
Cr = Llk × Ipk^2 / (Vcr1^2 - Vcr0^2)
46. 储能电感值Lr（见注释Q）
Lr = Lr = D^2 / (Cr × f^2 × (arccos(Vcr0 / Vcr1))^2)
47. 储能电感额定电流Ilrm（见注释Q）
Ilrm = 1.5 × (Cr / Lr)^0.5 × Vcr1 × sin(D / (f × (Lr × Cr)^0.5))，此值为最大电流值的1.5倍，考虑了留出裕量。
至此电路中所有元件的主要参数计算完毕。
注释
A齐纳管钳位损耗Pz = 0.5 × Llk × Ipk^2 × (Vz / (Vz - Vor)) × f，其中Llk是所有漏感 -- 不只是一次漏感Llkp，Ipk是一次电流的峰值。通过此式可看出若Vz接近Vor，则损耗巨大；若以Vz/Vor为变量画出钳位损耗的曲线，则所有情况下，Vz/Vor = 1.4 均为曲线上的明显下降点。