反激式变压器设计案例 - 图文

反激式变压器的设计实例

尽管在buck变换器的设计中没有用到反激式变压器，但由于反激式变压器介于电感与变压器之间，为了帮助大家进一步搞清楚这个特殊的磁性元件，在此我们给出反激式变压器的设计，并作为设计范例。介绍的内容要比直流电感简单一些，但是很多方面是一致的。说明一下，这里设计的反激式变压器是有隔离的，而非隔离反激式电感的设计除了没有副边以外，其他的几乎相同。我们的设计要求为：直流输入电压为48V(为了简便起见，假设没有线电压波动)，功率输出为10W，开关频率是250kHz，允许功率损耗0.2W(根据总的损耗，可以知道变换器的效率要求)，因此变换器效率为98％(0.2W／10W=2％)。效率的大小与磁芯的尺寸有关，变压器体积越小，效率越低。

(隔离、断续模式的)反激式变压器原边设计时只需要用到四个参数：输出功率、开关频率、功耗、输入电压(设计非隔离反激式电感也只需这四个参数)。这里，我们还没有提到电感量，电感量由很多参数决定，在下面的内容中我们将会介绍它们之间的关系。

我们用UC3845芯片(8脚、中等价格)提供PWM信号，其最大占空比为45％，占空比的大小是根据变换器是工作在连续状态还是断续状态来确定的，稍后的章节中将介绍如何计算占空比，在这个例子中，我们选用断续模式。

我们再增加一项设计要求：就是变压器体积要尽量小，有一定的高度限制。我们将会看到，变压器的设计与电感的设计不完全相同，变压器通常可以选用多种不同的磁芯来实现相同的电气特性。在这个例子中，还要根据其他一些要求来选择磁芯，包括尺寸、成本等因素。

1 反激式变压器的主要方程

首先，我们做一些基本的准备工作。正如这一章一开始介绍的理论内容中所说的那样，当反激式变换器原边开关器件导通时，变压器原边绕组的作用相当于一个电感。电压加在原边电感上，开关导通期间，电流持续上升：

这里，DC是占空比，f是开关频率，T=1／f是开关周期，这个方程适用于电流断续模式反激式变压器，原边电流波形如图案5-17所示。

储存在原边电感中的能量取决与峰值电流的大小：

能量每个周期传递一次，

这个方程是电流断续模式下反激式变压器的基本方程。这个方程告诉我们，一旦输入电压固定，如果要增加输出功率，那么只能通过减低开关频率或者减少电感来实现。而如果开关频率也已经选定，那么只有通过减少电感才能增加功率。但是实际的电感都有一个最小值(比如10倍的分布电感，最小为5μH)，断续模式工作的反激式变换器有最大输出功率的限制，这个例子中为50～100W。

实用提示 低输入电压、功率大于50W，不要采用反激式变换器。

我们取开关频率为250kHz(可能，开关频率受开关器件本身的限制)，计算可得：

或者，取L=93μH，可以计算得到峰值电流Ipk为：

2 磁芯材料类型的选择

现在我们来选择磁芯材料。考虑到开关频率比较高，我们可以选用铁氧体材料或者MPP，完善的设计必须两者都考虑，重复所有步骤。为了方便介绍，这里只考虑铁氧体材料，因为如果效率相同，铁氧体磁芯的体积比MPP的体积更小。

我们已经知道(工程上单位取厘米、安和高斯)

以及

这里lm是磁路长度。我们要用的铁氧体磁芯磁路长度非常短，这样B值会很大，甚至可能会使磁芯饱和，同时损耗也增大了。因此反激式变压器的设计(包括一些采用铁氧体材料的直流电感器)总是采用气隙。由于空气的磁导率远远低于铁氧体，因此气隙能够极大地增加磁路的有效长度。带有气隙磁芯的有效磁路长度为：

在很多实际应用的例子中，方程5.2的后面一项要远远大于前面一项

所以，下面的近似是合理的：

注意：这只是一个近似关系，并不能保证任何时候都成立，每一次设计的时候都要检查 一下这个近似关系是否成立。

用近似值来计算，我们可以得到以下式子：

这些方程的使用前提我们必须非常清楚：对于带有气隙的铁氧体材料磁芯，在确认方程5.3成立的条件下，可以使用方程5.4；否则，应该使用基本方程5.1a和5.1b。请记住：如果磁芯的气隙非常小，应该使用有效磁路长度(方程5.2)。

3 磁芯的选择

一点也不奇怪，为了某一个具体的设计任务，我们需要在多种不同型号的磁芯中进行选择，以确认自己所选型号的是最合适的。在我们将要设计的这个例子中，变压器的高度要求就是我们的设计准则。这样，很多型号的磁芯我们就可以不用考虑了。最后我们选择了EFD型号的磁芯(“EFD”名字的代表：“Economic Flat Design”——经济型平面设计)；当设计完成以后，和其他型号的磁芯相比，确实非常合适——高度很低，是扁平型的!选好磁芯以后就不用考虑元件高度的限制了。

我们先选用尺寸最小的EFD磁芯，例如由philips公司生产的EFD10，并验算一下是否能够传输10W的功率。如果不能传输10W的功率，我们再选用尺寸大一些的磁芯。磁芯的

有关参数可以参考philips公司软磁铁氧体磁芯目录，我们把它重画于图5-18中。

4 磁芯材料的选择

现在我们来选择磁芯的材料，在图5-19 philips公司提供的目录中，我们看到可以选择的材料很多。实际上，如果我们查阅其他厂商的产品说明书就会发现，其实可以选择的种类几乎是非常之多，并且没有两个厂家会采用完全相同的材料，每一种材料的性能也各不一样。如何来选择材料?