返馳式變壓器設計原理

返馳式變壓器設計原理FLYBACKTRANSFORMERDESIGNTHEORY概述工作原理設計方法設計實例小結第一節概述返馳式FLYBACK轉換器又稱單端反激式或“BUCKBOOST“轉換器因其輸出端在原邊繞組斷開電源時獲得能量故而得名離線型返馳式轉換器原理圖如圖一、返馳式轉換器的優點有1電路簡單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求2轉換效率高,損失小3變壓器匝數比值較小4輸入電壓在很大的範圍內波動時,仍可有較穩定的輸出,目前已可實現交流輸入在85265V間無需切換而達到穩定輸出的要求二、返馳式轉換器的缺點有1輸出電壓中存在較大的紋波,負載調整精度不高,因此輸出功率受到限制,通常應用於150W以下2轉換變壓器在電流連續CCM模式下工作時,有較大的直流分量,易導致磁芯飽和,所以必須在磁路中加入氣隙,從而造成變壓器體積變大3變壓器有直流電流成份,且同時會工作於CCM/DCM兩種模式,故變壓器在設計時較困難,反復調整次數較順向式多,迭代過程較复雜第二節工作原理在圖1所示隔離反馳式轉換器THEISOLATEDFLYBACKCONVERTER中,變壓器“T“有隔離與扼流之雙重作用因此“T“又稱為TRANSFORMERCHOKE電路的工作原理如下當開關晶體管TRTON時,變壓器初級NP有電流IP,並將能量儲存於其中ELPIP/2由於NP與NS极性相反,此時二极管D反向偏壓而截止,無能量傳送到負載當開關TROFF時,由楞次定律EN/T可知,變壓器原邊繞組將產生一反向電勢,此時二極管D正向導通,負載有電流IL流通返馳式轉換器之穩態波形如圖2由圖可知,導通時間TON的大小將決定IP、VCE的幅值VCEMAXVIN/1DMAXVIN輸入直流電壓DMAX最大工作周期DMAXTON/T返馳式變壓器設計原理FLYBACKTRANSFORMERDESIGNTHEORY9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A191/12LISCOCT由此可知,想要得到低的集電极電壓,必須保持低的DMAX,也就是DMAX05,在實際應用中通常取DMAX04,以限制VCEMAX22VIN開關管TRON時的集電极工作電流IE,也就是原邊峰值電流IP為ICIPIL/N因ILIO,故當IO一定時,匝比N的大小即決定了IC的大小,上式是按功率守恆原則,原副邊安匝數相等NPIPNSIS而導出IP亦可用下列方法表示ICIP2PO/VINDMAX轉換器的效率公式導出如下輸出功率POLIP2/2T輸入電壓VINLDI/DT設DIIP,且1/DTF/DMAX,則VINLIPF/DMAX或LPVINDMAX/IPF則PO又可表示為POVINFDMAXIP2/2FIP1/2VINDMAXIPIP2PO/VINDMAX上列公式中VIN最小直流輸入電壓VDMAX最大導通占空比圖2返馳式轉換器波形圖LP變壓器初級電感MHIP變壓器原邊峰值電流AF轉換頻率KHZ由上述理論可知,轉換器的占空比與變壓器的匝數比受限於開關電晶體耐壓與最大集電极電流,而此兩項是導致開關晶體成本上升的關鍵因素,因此設計時需綜合考量做取舍反激式變換器一般工作於兩種工作方式1電感電流不連續模式DCMDISCONTINUOUSINDUCTORCURRENTMODE或稱“完全能量轉換“TON時儲存在變壓器中的所有能量在反激周期TOFF中都轉移到輸出端2電感電流連續模式CCMCONTINUOUSINDUCTORCURRENTMODE或稱“不完全能量轉換“儲存在變壓器中的一部分能量在TOFF末保留到下一個TON周期的開始DCM和CCM在小信號傳遞函數方面是极不相同的,其波形如圖3實際上,當變換器輸入電壓VIN在一個較大範圍內發生變化,或是負載電流IL在較大範圍內變化時,必然跨越著兩種工作方式因此返馳式轉換器要求在DCM/CCM都能穩定工作但在設計上是比較困難的通常我們可以以DCM/CCM臨界狀態作設計基準,並配以電流模式控制PWM此法可有效解決DCM時之各種問題,但在CCM時無消除電路固有的不穩定問題可用調節控制環增益編離低頻段和降低瞬態響應速度來解決CCM時因傳遞函數“右半平面零點“引起的不穩定9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A192/12LISCOCTDCMWAVEFORMSCCMWAVEFORMS圖3DCM/CCM原副邊電流波形圖在穩定狀態下,磁通增量在TON時的變化必須等於在“TOFF“時的變化,否則會造成磁芯飽和因此,VINTON/NPVSTOFF/NS即變壓器原邊繞組每匝的伏特/秒值必須等於副邊繞組每匝伏特/秒值比較圖3中DCM與CCM之電流波形可以知道DCM狀態下在TRTON期間,整個能量轉移波形中具有較高的原邊峰值電流,這是因為初級電感值LP相對較低之故,使IP急劇升高所造成的負面效應是增加了繞組損耗WINDINGLOSE和輸入濾波電容器的漣波電流,從而要求開關晶體管必須具有高電流承載能力,方能安全工作在CCM狀態中,原邊峰值電流較低,但開關晶體在TON狀態時有較高的集電极電流值因此導致開關晶體高功率的消耗同時為達成CCM,就需要有較高的變壓器原邊電感值LP,在變壓器磁芯中所儲存的殘餘能量則要求變壓器的體積較DCM時要大,而其他系數是相等的綜上所述,DCM與CCM的變壓器在設計時是基本相同的,只是在原邊峰值電流的定義有些區別CCM時IPIMAXIMINABAITITIITTFULLLOADHIGHVINMODEBOUNDARYLOWVINB9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A193/12LISCOCT9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A193/12LISCOCT第三節FLYBACKTANSFORMERDESIGN一、FLYBACK變壓器設計之考量因素1儲能能力當變壓器工作於CCM方式時,由於出現了直流分量,需加AIRGAP,使磁化曲線向H軸傾斜,從而使變壓器能承受較大的電流,傳遞更多的能量PFVEBSHDBVE磁芯和氣隙的有效體積ORP1/2LPIMAX2IMIN2式中IMAX,IMIN為導通周期末,始端相應的電流值由於返馳式變壓器磁芯只工作在第一象限磁滯回線,磁芯在交、直流作用下的BH效果與AIRGAP大小有密切關聯,如圖4圖4有無氣隙時返馳變壓器磁芯第一象限磁滯回路在交流電流下氣隙對BAC無改變效果,但對HAC將大大增加,這是有利的一面,可有效地減小CORE的有效磁導率和減少原邊繞組的電感在直流電流下氣隙的加入可使CORE承受更加大的直流電流去產生HDC,而BDC卻維持不變,因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯飽和,這對能量的儲存與傳遞都是有利的當反激變壓器工作於CCM時,有相當大的直流成份,這時就必須有氣隙外加的伏秒值,匝數和磁芯面積決定了B軸上BAC值直流的平均電流值,匝數和磁路長度決定了H軸上HDC值的位置BAC對應了HAC值的範圍可以看出,氣隙大HAC就大如此,就必須有足夠的磁芯氣隙來防止飽和狀態並平穩直流成分BRBS無氣隙有氣隙HBBAC在HDC2時無氣隙BDCBS9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A194/12LISCOCT2傳輸功率由於CORE材料特性,變壓器形狀表面積對體積的比率,表面的熱幅射,允許溫升,工作環境等的不特定性,設計時不可把傳輸功率與變壓器大小簡單的作聯繫,應視特定要求作決策因此用面積乘積法求得之AP值通常只作一種參考有經驗之設計者通常可結合特定要求直接確定CORE之材質,形狀,規格等3原,副邊繞組每匝伏數應保持相同設計時往往會遇到副邊匝數需由計算所得分數匝取整,而導致副邊每匝伏數低於原邊每匝伏數如此引起副邊的每匝伏秒值小於原邊,為使其達到平衡就必須減小TON時間,用較長的時間來傳輸電能到輸出端即要求導通占空比D小於05使電路工作於DCM模式但在此需注意若LP太大,電流上升斜率小,TON時間又短50,很可能在“導通“結束時,電流上升值不大,出現電路沒有能力去傳遞所需功率的現象這一現象是因系統自我功率限制之故可通過增加AIRGAP和減小電感LP,使自我限制作用不會產生來解決此問題4電感值LP電感LP在變壓器設計初期不作重點考量因為LP只影響開關電源的工作方式故此一參數由電路工作方式要求作調整LP的最大值與變壓器損耗最小值是一致的如果設計所得LP大,又要求以CCM方式工作,則剛巧合適而若需以DCM方式工作時,則只能用增大AIRGAP,降低LP來達到要求,這樣,一切均不會使變壓器偏離設計在實際設計中通過調整氣隙大小來選定能量的傳遞方式DCM/CCM若工作於DCM方式,傳遞同樣的能量峰值電流是很高的工作中開關TR,輸出二极體D以及電容C產生最大的損耗,變壓器自身產生最大的銅損I2R若工作於CCM方式,電感較大時,電流上升斜率低雖然這種狀況下損耗最小,但這大的磁化直流成分和高的磁滯將使大多數鐵磁物質產生磁飽和所以設計時應使用一個折衷的方法,使峰值電流大小適中,峰值與直流有效值的比值比較適中只要調整一個合適的氣隙,就可得到這一傳遞方式,實現噪音小,效率合理之佳況5磁飽和瞬時效應在瞬變負載狀況下,即當輸入電壓為VINMAX而負載電流為IOMIN時,若IO突然增加,則控制電路會立即加寬脈衝以提供補充功率此時,會出現VINMAX和DMAX並存,即使只是一個非常短的時間,變壓器也會出現飽和,引起電路失控為克服此一瞬態不良效應,可應用下述方法變壓器按高輸入電壓VINMAX,寬脈衝DMAX進行設計即設定低的B工作模式,高的原邊繞組匝數,但此方法之缺點是使變壓器的效率降低9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A195/12LISCOCT二、變壓器設計流程TRANSFORMERDESIGNPROCEDURE選定CORE材質高BS、低損耗、低成本決定CORE規格APAWAEPT104/2BFJKU工作模式確認CCM/DCM設計匝數比NVINMIN/VOVFDMAX/1DMAX原副邊峰值電流計算IPPISP/NISPISBIS計算原、副邊電感LPN2LSLSVOVF1DMAXTS/ISBISB2IOB/1DMAX原、副邊匝數計算NPLPIPP/BAENSNP/NAIRGAP設計LG04LPIPP/BAENP2OAE/LP繞組線徑確定DW4AW/結構設計綜合考量安規、成本、易制性、打樣及優化調整電氣性能、機械強度等9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A196/12LISCOCT第四節FLYBACKTRANSFORMERDESIGNEXAMPLE一設計步驟STEP0SPECVIN,FS,VO,IO,D,T,CCM電路接線如圖4OUTPUTDC19V0316AVCC12VDC01A083FS70KHZDUTYCYLCEOVER50T40O表面60WXFMR限高21MMCASESURFACETEMPERATURE78NOTECONSTANTVOLTAGECURRENTDESIGNUC3843ADSTEP1選擇CORE材質,確定B本例為ADAPTERDESIGN,由於該類型機散熱效果差,故選擇CORE材質應考量高BS,低損耗及高I材質,結合成本考量,在此選用FERRITECORE,以TDK之PC40ORPC44為優選,對比TDKDATABOOK,可知PC44材質單位密度下鐵損PCV明顯低於PC40,最后確定應用PC44材9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A197/12LISCOCT相關參數如下I240025PVC300KW/M2100KHZ,100BS390MTBR60MT100TC215為防止XFMR出現瞬態飽和效應,此例以低B設計選B60BM,即B0639060198MT02TSTEP2確定CORESIZE和TYPE1求COREAP以確定SIZEAPAWAEPT104/2BFSJKU60/08360104/2027010340002059CM4式中PTPO/PO傳遞功率J電流密度A/CM2300500KU繞組系數02052形狀及規格確定形狀由外部尺寸,可配合BOBBIN,EMI要求等決定,規格可參考AP值及形狀要求而決定,結合上述原則,查閱TDK之DATABOOK,可知RM10,LP32/13,EPC30均可滿足上述要求,但RM10和EPC30可用繞線容積均小於LP32/13,在此選用LP32/13PC44,其參數如下AE703MM2AW1253MM2AL263025LE640MMAP088CM4VE4498MM3PT164WFORWARDSTEP3估算臨界電流IOBDCM/CCMBOUNDARY本例以IL達80IOMAX時為臨界點設計變壓器即IOB80IOMAX083162528ASTEP4求匝數比NNVINMIN/VOVFDMAX/1DMAXVINMIN90220107V107/190605/105556匝比N可取5或6,在此取6以降低鐵損,但銅損將有所增加CHECKDMAXDMAXNVOVF/VINMINNVOVF61906/107619060529B61594971D0AC6094AA20BAD5360A198/12LISCOCTSTEP5求CCM/DCM臨界狀態之副邊峰值電流ISBISB2IOB/1DMAX22528/105210533STEP6計算次級電感LS及原邊電感LPLSVOVF1DMAXTS/ISB190610521/70000/105331276UHLPN2LS6212764594UH460UH此電感值為臨界電感,若需電路工作於CCM,則可增大此值,若需工作於DCM則可適當調小此值STEP7求CCM時副邊峰值電流ISPIOMAX2ISISB1DMAX/2ISIOMAX/1DMAXISB/2ISPISBISIOMAX/1DMAXISB/2316/105210533/21185ASTEP8求CCM時原邊峰值電流IPPIPPICP/N1185/61975ASTEP9確定NP、NS1NPNPLPIPP/BAE4601975/02703646TS因計算結果為分數匝,考慮兼顧原、副邊繞組匝數取整,使變壓器一、二次繞組有相同的安匝值,故調整NP60TSORNP66TS考量在設定匝數比N時,已有銅損增加,為盡量平衡PFE與PCU,在此先選NP60TS2NSNSNP/N60/610TS3NVCC求每匝伏特數VAVAVOVF/NS1906/10196V/TSNVCCVCCVF/VA121/196667TSSTEP10計算AIRGAPLGNP2OAE/LP6024314107703/046069MMISTIST9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A199/12LISCOCTSTEP11計算線徑DW,估算銅窗占有率1DWPAWPIPRMS/JIPRMSPO/VINMIN60/083/1070676AAWP0676/4J取4A/MM2OR5A/MM20169MM2取035MM22DWSAWSIO/J316/4079MM210MM考量可繞性及趨膚效應,采用多線並繞,單線不應大於04,04之AW0126MM2,則079/01266276即NS采用0463DWVCCAWVCCIV/J01/40025MM2018MM上述繞組線徑均以4A/MM2之計算,以降低銅損,若結構設計時線包過胖,可適當調整J之取值4估算銅窗占有率04AWNPRP1/2DWP2NSRS1/2DWS2NVCCRV1/2DWV204AW602314035/2210631404/227314018/22115475401781926041253501250121926OKSTEP12估算損耗、溫升1求出各繞組之線長2求出各繞組之RDC和RAC1003求各繞組之損耗功率4加總各繞組之功率損耗求出TOTAL值如NP60TS,LP32/13BOBBIN繞線平均匝長433CM則LNP604332598CMNS10TS則LNS10433433CM9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A1910/12LISCOCTNVCC7TS則LNVC74333031CM查線阻表可知035MMWIRERDC000268/CM100040MMWIRERDC000203/CM100018MMWIRERDC00106/CM100R10014R20求副邊各電流值已知IO316A副邊平均峰值電流ISPAIO/1DMAX316/10526583A副邊直流有效電流ISRMS1DMAXI2SPA105265832456A副邊交流有效電流ISACI2SRMSIO245623162329A求原邊各電流值NPIPNSIS原邊平均峰值電流IPPAISPA/N658/61097A原邊直流有效電流IPRMSDMAXIPPA1097052057A原邊交流有效電流IPACDI2PPA1097052079A求各繞組交、直流電阻原邊RPDCLNP000268/20348RPAC16RPDC0557副邊RSDCLNS000203/600146RSAC16RSDC00243VCC繞組RDC3031001060321計算各繞組交直流損耗副邊直流損PSDCIO2RSDC3162001460146W交流損PSACI2SACRSAC3292002340253WTOTALPS014602530399W原邊直流損PPDCIRMS2RPDC057203480113W交流損PPACI2PACRPAC079205570348W忽略VCC繞組損耗因其電流甚小TOTALPP0461W總的線圈損耗PCUPCPP03990461086W9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A1911/12LISCOCT2計算鐵損PFE查TDKDATABOOK可知PC44材之B02T時,PV0025W/CM2LP32/13之VE4498CM3PFEPVVE002544980112W3PTOTALPCUPFE0601120972W4估算溫升T依經驗公式T235P/AP2350972/088243估算之溫升T小於SPEC,設計OKSTEP13結構設計查LP32/13BOBBIN之繞線幅寬為218MM考量安規距離之沿面距離不小於64MM為減小LK提高效率,采用三明治結構,其結構如下XFMR結構NP132/322A0352301LSHI232/32SHI42MILS1213LNS332/328967046103LSHI432/32SHI42MILS1211LNP532/32A10352301LNVCC632/323401872L7連結兩A點2L9B61594971D0AC6094AA20BAD5360A1912/12LISCOCT公制漆包線規格表JIS0、1、2、3導體導線0種最大最大重量導體直徑截面積最大最小最大導体電阻最小最大最小最大導体電阻直徑完成外徑皮膜厚完成外徑/KM皮膜厚完成外徑皮膜厚完成外徑/KMKG/KMMMMM2MMMMMM20MMMMMMMM20MM00400013003005600020052156700011530040050002000400690003006410240001745005006000280040081000300756966002595006007000380040091000300854990003500700800050005010300030097377800460080090006400501130003010729590058009010000790156000901402647005012500030118238100698010110009501660009015021530050135000301281957008701101200113018000100162178600601470004013916360100601201300133019000100172150500601570004014913890130140015402000010018212860060167000401591193013680140150017702100010019211110060177000401691037015016002010222001102049695007018900050181908801788016017002270232001102148535007019900050191803201701800254024600120226757200802110005020271502263018019002840256001202366762008022100050212640601902000314026600120246607600802310005022257720279302021003460276001202565490080241000502325228021022003800286001202664984008025200050243480102202300415029800130278454500902640006025543860369402302400452030800130288416200902740006026540220240250049103180013029838250090284000602753702025026005310330001303103584009029400060285341804720260270057303400013032033140090304000602953166027028006160350001303303073009031400060305294102802900661036000130340285700903240006031527390587202903000707037400140352262900103370007032725406435030320080403940014037223000103570007034722280719403203500962042400140402191200103870007037718570855303503701075044600140424170600104070007039716590370400125704800015045614530011043900070429141711180404501590053200160508114200110490007047911211414045050019630586001705609143001205420008053189951745050550237