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反激式开关电源变压器设计道理

文章出处:网络整理 人气:发表时间:2021-07-15 15:59

  反激式(Flyback)转换器又称单端反激式或“Buck-Boost”转换器。因其输出端在原边绕组断开电源时得到能量故而得名。离线型反激式转换器道理图如图。

  一、反激式转换器的利益有:

  1. 电路简朴,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求。

  2. 转换效率高,损失小。

  3. 变压器匝数比值较小。

  4. 输入电压在很大的范畴内颠簸时,仍可有较不变的输出,今朝已可实现交换输入在 85~265V间。无需切换而到达不变输出的要求。

  二、反激式转换器的缺点有:

  1. 输出电压中存在较大的纹波,负载调解精度不高,因此输出功率受到限制,凡是应用于150W以下。

  2. 转换变压器在电流持续(CCM)模式下事情时,有较大的直流分量,易导致磁芯饱和,所以必需在磁路中插手气隙,从而造成变压器体积变大。

  3. 变压器有直流电流成份,且同时会事情于CCM / DCM两种模式,故变压器在设计时较坚苦,重复调解次数较顺向式多,迭代进程较巨大。

  第二节。 事情道理

  在图1所示断绝反驰式转换器(The isolated flyback converter)中, 变压器“ T ”有断绝与扼流之双重浸染。因此“ T ”又称为Transformer- choke.电路的事情道理如下:

  当开关晶体管 Tr ton时,变压器低级Np有电流 Ip,并将能量储存于个中(E = LpIp / 2)。由于Np与Ns极性相反,此时二极管D反向偏压而截至,无能量传送到负载。当开关Tr off 时,由楞次定律 : (e = -N△Φ/△T)可知,变压器原边绕组将发生一反向电势,此时二极管D正领导通,负载有电流IL畅通。反激式转换器之稳态波形如图2.

  由图可知,导通时间 ton的巨细将抉择Ip、Vce的幅值:

  Vce max = VIN / 1-Dmax

  VIN: 输入直流电压 ; Dmax : 最大事情周期

  Dmax = ton / T

  由此可知,想要获得低的集电极电压,必需保持低的Dmax,也就是Dmax<0.5,在实际应用中凡是取Dmax = 0.4,以限制Vcemax ≦ 2.2VIN.

  开关管Tr on时的集电极事情电流Ie,也就是原边峰值电流Ip为: Ic = Ip = IL / n. 因IL = Io,故当Io一按时,匝比 n的巨细即抉择了Ic的巨细,上式是按功率守恒原则,原副边安匝数 相等 NpIp = NsIs而导出。 Ip亦可用下列要领暗示:

  Ic = Ip = 2Po / (η*VIN*Dmax) η: 转换器的效率

  公式导出如下:

  输出功率 : Po = LIp2η / 2T

  输入电压 : VIN = Ldi / dt设 di = Ip,且 1 / dt = f / Dmax,则:

  VIN = LIpf / Dmax 或 Lp = VIN*Dmax / Ipf

  则Po又可暗示为 :

  Po = ηVINf DmaxIp2 / 2f Ip = 1/2ηVINDmaxIp

  ∴ Ip = 2Po / ηVINDmax

  上列公式中 :

  VIN : 最小直流输入电压 (V)

  Dmax : 最大导通占空比

  Lp : 变压器低级电感 (mH)

  Ip : 变压器原边峰值电流 (A)

  f : 转换频率 (KHZ)

  

反激式开关电源变压器设计道理

  图2 反激式转换器波形图

  由上述理论可知,转换器的占空比与变压器的匝数比受限于开关晶体管耐压与最大集电极电流,而此两项是导致开关晶体本钱上升的要害因素,因此设计时需综合考量做取舍。

  反激式调动器一般事情于两种事情方法 :

  1. 电感电流不持续模式DCM (DisconTInuous Inductor Current Mode)或称 “ 完全能量转换 ”: ton时储存在变压器中的所有能量在反激周期 (toff)中都转移到输出端。

  2. 电感电流持续模式CCM ( ConTInuous Inductor Current Mode) 或称 “ 不完全能量转换 ” : 储存在变压器中的一部门能量在toff末保存到下一个ton周期的开始。

  DCM和CCM在小信号通报函数方面是极不沟通的,其波形如图3.实际上,当调动器输入电压VIN 在一个较大范畴内产生变革,或是负载电流 IL在较大范畴内变革时,一定超过着两种事情方法。因此反激式转换器要求在DCM / CCM都能不变事情。但在设计上是较量坚苦的。凡是我们可以以DCM / CCM临界状态作设计基准。,并配以电流模式节制PWM.此法可有效办理DCM时之各类问题,但在 CCM时无消除电路固有的不不变问题。可用调理节制环增益编离低频段和低落瞬态响应速度来办理CCM时因通报函数 “ 右半平面零点 ”引起的不不变。

  DCM和CCM在小信号通报函数方面是极不沟通的,其波形如图3.

  

反激式开关电源变压器设计道理

  图3 DCM / CCM原副边电流波形图

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