精通开关电源设计_第三章笔记

第三章离线式变换器设计与磁学技术

3．1 反激变换器磁学习技术

3．1．1 变压器绕组极性

匝比n=n p/n s，其中n p为一次绕线匝数，n s为二次绕线匝数3．1．2 反激变换器中变压器功能及占空比

R ：表示折算电压

变压器原理中的电压关系

V P

V S

=n

V P:一次绕组电压

V S:二次绕组电压

L P：二次绕组悬空（无电流流过）时测的一次电感

L S：二次绕组悬空无电流时测的二次电感

电流比方程：

I P I S =

1

n

≡I P×n=I S

变压器参数计算规则如下：已知一次电压求二次电压，需除以匝比，已知二次电压求一次电压，则需要乘以匝比。电流计算规则相反，已知一次电流求二次电流，需乘以匝比，已知二次电流求一次电流，则需要除以匝比。

3．1．3 等效的buck-boost模型

3．1．4 反激变换器电流纹波率

3．1．5 漏感

3．1．6 齐纳管钳位损耗

3．1．7 二次漏感同样影响一次侧

3．1．8 有效一次漏感电感测量

3．1．9 实际例——反激变压器设计

74W的常用输入（90V～270VAC）反激变换器，欲设计输出5V/10A和12V/2A。设计合适的反激变换器，假定开关频率为150kHz。同时，尽量使用较经济的额定值为600V 的MOSFET。

1)：确定V OR与V Z

最大输入电压时，加在变换器上的整流直流电

V INMAX=√2×VAC MAX=√2×270=382V

MOS管额定电压为600V，取30V裕量，所以漏极电压不超过570V。由于漏极电压V IN+V Z于是有

V IN+V Z为最高电压峰值电压，V OR在此之内。

V IN+V Z=382+V Z≤570

V Z≤570−382=188V

需选择标准的180V稳压管。

由于V Z

V OR

=1.4时，钳位损耗最低，因此选择此比值为最优比。则有

V OR=V Z

1.4

≈128V

2)：匝比

假设5V输出二极管正向压降为0.6V，则匝比为：

电压要求高的一组计算匝比

n=

V OR

V O+V D

=

128

5.6

=22.86

3)：最大占空比（理论值）

最恶劣的电压为：

V INMIN=√2×VAC MIN=√2×90=127V 最小输入电压时占空比为：

D=

V OR

V OR+V INMIN

=

128

128+127

=0.5（buck_boost）

这是为100%效率。

电容值经验一般取值 3uF/W.

例：对于低网输入时效率为70%的74W电源，其输入功率为74/0.7=106W。

故应使用106 × 3 = 318uF（标准值330uF）的输入电容。

4)：一次与二次有效负载电流

若将74W的输出功率集中在一个等效5V单输出上，则可得5V输出负载电流为：

I O=74

5

≈15A

一次输出电压为V OR，负载电流为I OR，其中

I OR=I O

n

=

15

22.86

=0.656A

5)：占空比

输入功率：

P IN=

P O

效率

=

74

0.7

=105.7W

平均输入电流：最大输入电流?

I IN=P IN

V IN

=

105.7

127

=0.832A

I IN

D

=I LR因为输入电流只在开关导通时才有I OR

1−D

=I LR因为输出电流只在开关断开时才有

I IN D =

I OR

1−D

≡D=

I IN

I IN+I OR

=

0.832

0.832+0.656

=0.559

6)：一次和二次电流斜坡实际中心值

二次电流斜坡中心值（集中功率时）

I L=

I O

1−D

=

15

1−0.559

=34.01A

一次电流斜坡中心值

I LR=I L

n

=

34.01

22.86

=1.488A

7)：峰值开关电流

根据以上I LR的值，可得所选电流纹波率情况下的峰值电流，r=0.5

I PK=(1+r

2

)×I LR=1.25×1.488=1.86A

8)：伏秒数

输入电压为V INMIN时：

V ON=V IN=127V 导通时间为：

ton=D

f

=

0.559

150×103

≈3.727us

所以伏秒数为：

Et=V on×t on=127×3.727=473Vus

9)：一次电感

设计离线变压器时，因需要降低高频铜耗，减小变压器体积等各种原因将r 值设定为0.5左右。根据“L×I”规则一次电感为：

L P=

1

I LR

×

Et

r

=

473

1.488×0.5

=636uH

10)：磁心选择

电感系数(AL):为了使磁芯电感容易计算，在手册中给出电感系数AL，它表示磁芯具有1匝（或规定整数匝,例如1000匝）线圈时的电感量

截面磁芯的有效截面(Ae)，有效长度(le)、有效体积(Ve)、面积乘积(Ap)、窗口面积，即内径包围的面积(Aw)

对于铁氧体磁心选择经验公式：

V e=0.7×(2+r)2

r

×

P IN

f

cm3

其中f的单位是kHz。

V e=0.7×(2.5)2

0.5

×

105.7

150

=6.17cm3

查表后可选择EI-30或更大磁心：

Ae=1.11cm2

le=5.8cm

则可得体积为：

V e=A e×l e=5.8×1.11=6.438cm3 11)：匝数

电压相关方程：

B=L×I

N×A

×T

使B与L相联。

关于r的电压方程式（MKS单位制）：