電源設(shè)計之拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單端反激變換器

1、電路

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開關(guān)管Q開通時Np儲存能量，開關(guān)管Q關(guān)斷時Np向Ns釋放能量。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個低通濾波器，變壓器初級需有Cr、Rr和Dr組成的RCD漏感尖峰吸收電路。輸出回路需有一個整流二極管D1。由于其變壓器使用有氣隙的磁芯，故其銅損較大，變壓器溫相對較高。并且其輸出的紋波電壓比較大。但其優(yōu)點就是電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于200W以下的電源且多路輸出交調(diào)特性相對較好。

3、變壓器計算

單端反激式變壓器設(shè)計的方法較多，但對于反激式設(shè)計來說最難的也就是變壓器的設(shè)計和調(diào)整。一般須視具體工作狀態(tài)而定，這里我結(jié)合自己的調(diào)試經(jīng)驗介紹一種快捷的近似計算方法。反激變換器可工作于電流連續(xù)模式(CCM)和電流斷續(xù)模式(DCM)，同樣輸出功率時，工作于電流斷續(xù)模式具有較大的峰值電流，此時開關(guān)晶體管、整流二極管、變壓器和電容上損耗會增加，所以一般效率較低，工作于電流連續(xù)模式下，效率較高，但輸出二極管反向恢復(fù)時易引起振蕩和噪聲；另外，工作于電流斷續(xù)模式時，由于變壓器電感量較小，體積可以做得小一些，而工作于電流連續(xù)模式，變壓器體積一般會較大。變壓器參數(shù)的選取應(yīng)結(jié)合整個電路設(shè)計和實際應(yīng)用情況，在最初的設(shè)計中，為取得比較適中的性能，可考慮使電路工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài)。

反激式變壓器的設(shè)計可分為以下幾個步驟：

a、初選磁芯型號。

b、確定初級電感量。

c、確定初級峰值電流。

d、確定初級線圈匝數(shù)和氣隙。

e、計算并調(diào)整初、次級匝數(shù)。

f、計算并確定導(dǎo)線線徑

g、校核窗口面積和最大磁感性強度

★ 初選磁芯型號

反激變壓器的體積主要決定于傳遞功率的大小，可依據(jù)經(jīng)驗或磁芯廠家手冊中提供的速選圖表，初選一磁芯型號代入以后的步驟進行計算。

★ 確定初級電感量

若考慮低端滿載時，電路工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài)，此時初級電感量計算公式如下：

L1=(Vinmin×Dmax)∧2/(2×f×Po)

(Vinmin為輸入電壓最小值，Dmax為設(shè)定的最大占空比，f為開關(guān)頻率，P0為輸出功率。)增大L1取值時，電路開始工作于電流連續(xù)模式，原邊電感量的選擇可在L1計算值基礎(chǔ)上，視具體情況作調(diào)整。

★ 確定初級峰值電流

設(shè)計時仍應(yīng)考慮低端滿載的情況。

電路工作于電流不連續(xù)或臨界連續(xù)時，初級峰值電流

I1max=2×Po/(Vinmin×h×Dmax)(h為預(yù)測效率值)

電路工作于電流連續(xù)模式時，初級峰值電流：

I1max=2×Po/(Vinmin×h×Dmax)＋(2×Vinmin×T×Dmax)/L1

★ 確定初級峰值電流確定初級線圈匝數(shù)和氣隙

首先作出兩點假設(shè)：

a、由于磁芯開氣隙后剩磁Br減小很多，認(rèn)為Br＝0。

b、 由于氣隙磁阻遠(yuǎn)大于磁路其他部分磁阻，認(rèn)為磁勢全部降于氣隙處。

根據(jù)以上兩點假設(shè)可得出初級電感量：

L1=(m0×Ae×Np)/d

(m0為空氣磁導(dǎo)率，Ae為氣隙處磁芯截面積，d為氣隙長度。)

工作最大磁感應(yīng)強度：

Bm=(I1max×Np×m0)/d??? (Bm為最大磁通密度)

選擇最大磁感應(yīng)強度Bm后，聯(lián)解以上兩式可求出初級匝數(shù)N1，和氣隙長度d，氣隙長度的選取不宜過長，過長的氣隙會導(dǎo)致主磁路磁阻增大，磁力線通過漏磁路閉合，會增加漏感和電磁干擾EMI。

★ 計算并調(diào)整初、次級匝數(shù)

仍考慮低端滿載情況，此時電流連續(xù)或臨界連續(xù)，次級匝數(shù)：

N2=(Vo+Vd+Io×R)×(1-Dmax)×Np/(Vin×Dmax)　　(UD為輸出整流管壓降，IO R為線路壓降)

取初級或次級匝數(shù)中較小者，取整后，再由匝比關(guān)系推算其余繞組匝數(shù)。

★ 計算并確定導(dǎo)線線徑

初級繞組電流有效值：

I1=sqr((I1max×(1-DI)+DI×DI/3)×D)(DI為電流增量，DI＝(Vin×Ton)/L1)

次級電流有效值：

I2=Np×I1/N2

當(dāng)電流較大時，導(dǎo)線采用多股并繞，每股直徑不大于2倍穿透深度。

★ 校核窗口面積和最大磁感性強度

變壓器繞制的基本要求是耦合緊密，以減小漏感。設(shè)計時有兩種基本方法以增加繞組間耦合，一是雙線并繞，常用于繞制輸出正負(fù)繞組、原邊繞組與去磁繞組等，要求并繞的繞組匝數(shù)相等且壓差不能不能太高；另一種是夾繞的方法，將原邊繞組均分為兩層，夾副邊繞組，也有多層夾繞的方法，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，我在二次電源變壓器設(shè)計中沒有采用。

雙管反激變換器

1、電路

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開關(guān)管Q1、Q2開通時Np儲存能量，開關(guān)管Q1、Q2關(guān)斷時Np向Ns釋放能量，同時Np的漏感將通過D2、D3返回給輸入，可省去RCD漏感尖峰吸收電路。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個低通濾波器。輸出回路需有一個整流二極管D1（最好使用恢復(fù)時間快的整流管）。

3、工作特點

a、在任何工作條件下，為使兩個調(diào)整管所承受的電壓不會超過Vs+Vd　(Vs：輸入電壓；Vd:D2、D3的正向壓降，)，D2、D3必須是快恢復(fù)管（當(dāng)然用超快恢復(fù)管更好）。

b、在反激開始時，儲存在原邊Np的漏電感的能量會經(jīng)D2、D3反饋回輸入，系統(tǒng)能量損失會小，效率高。

c、在與單端反激變換器相比，無需RCD吸收電路；功率器件可選擇較低的耐壓值；功率等級也會很大。

d、在輕載時，如果在“開通”周期儲存在變壓器的原邊繞組顯得過多的能量，那么在“關(guān)斷”周期會將過多的能量能量反饋到輸入。

e、兩個調(diào)整管工作狀態(tài)一致，我沒有調(diào)試過這樣電路，根據(jù)調(diào)試過的半橋和雙管正激的電路經(jīng)驗，下管的波形會優(yōu)于上管的波形，在調(diào)試過程中只要觀察下管波形即可（具體可到“調(diào)試經(jīng)驗”中詳見）。我個人建議在大功率等級電源中不可選用此種電路。

4、變壓器計算

設(shè)計方法據(jù)參考書籍，與單端反激變換器變換器相同。但變壓器漏電感必須小，可以減小D2、D3上的能量損耗，同時增加電源的效率。

單端正激變換器

1、電路

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個電感器Lo（續(xù)流電感）起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級需有復(fù)位繞組Nr（此點上我對一些參考書籍存疑，當(dāng)然有是最好，實際應(yīng)用中考慮到變壓器腳位的問題）。在實際使用中，我也發(fā)現(xiàn)此繞組也用RCD吸收電路取代亦可，如果芯片的輔助電源用反激供給則也可削去調(diào)整管的部分峰值電壓（相當(dāng)一部份復(fù)位繞組）。輸出回路需有一個整流二極管D1和一個續(xù)流二極管D2。由于其變壓器使用無氣隙的磁芯，故其銅損較小，變壓器溫升較低。并且其輸出的紋波電壓較小。

3、變壓器計算

一般來說高頻變壓器的設(shè)計可劃分為以下六個步驟：

a、選擇磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)形式。

b、確定工作頻率，工作最大磁感應(yīng)強度Bm。

c、計算并初選磁芯型號。

d、計算并調(diào)整原、副邊匝數(shù)。

e、計算并確定導(dǎo)線線徑。

f、校核窗口面積和最大磁感應(yīng)強度Bm。

現(xiàn)就這六個步驟來討論單端正激式變壓器的設(shè)計：

★ 選擇磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)形式

高頻變壓器磁性材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)為高初始磁導(dǎo)率μi、低矯頑力Hc、高飽和磁感應(yīng)強度Bs、低剩磁Br、高電阻率ρ和高居里溫度點。磁導(dǎo)率高，變壓器工作時勵磁電流就??；矯頑力低則磁滯損耗比較??；高飽和磁感應(yīng)，低剩磁，變壓器工作時磁通變化范圍DB可以較大，相應(yīng)減小了變壓器體積；高電阻率，高頻工作時渦流損耗比較小；高居里溫度點，變壓器工作溫度可以相應(yīng)提高，但以上各項要求不可能同時得到滿足，不同的磁性材料存在其長處也必然存在不足，需視具體應(yīng)用條件加以選擇。一次電源工作頻率一般選擇在60KHz～150KHz之間，二次電源產(chǎn)品工作頻率一般選擇在100KHz～400KHz之間，在這個頻率范圍，宜選用Mn-Zn鐵氧體材料，目前二次電源常用的鐵氧體材料包括TDK的PC30－PC40，Magnetics的P材料，PHILIP的3F3及899廠的R2KB2等。

磁芯結(jié)構(gòu)形式的選擇一是考慮能量傳遞，二是考慮幾何尺寸的限制，三是考慮磁芯截面積和窗口面積的比例，多路輸出變壓器一般要求有較大的窗口面積，選擇EE型、EI型或PQ型磁芯，可具有較大的窗口和良好的散熱性，DC/DC模塊電源可選用FEY型、FEE型、EUI型等，鈴流變壓器要求磁芯截面積比較大，可選用GU形磁芯；此外還應(yīng)考慮變壓器的安裝，加工方便性，成本等，目前中、大功率通常選用GU形磁芯，這種磁芯特點是有較大的截面積，漏磁很小，采用國產(chǎn)材料，成本低，但出線需手焊。

★ 確定工作頻率，最大磁感應(yīng)強度Bm

考慮高溫時飽和磁感應(yīng)強度Bs會下降，同時為降低高頻工作時磁芯損耗，工作最大磁感應(yīng)在一般選擇為2000～2500Gs，工作頻率的選擇可在設(shè)計變壓器時進行反推，或先確定再進行調(diào)整，AC/DC工作頻率一般選擇在60KHz～150KHz之間；DC/DC工作頻率可選擇為100KHz～400KHz之間。

★ 計算并初選磁芯型號

磁芯結(jié)構(gòu)確定基礎(chǔ)上，其型號選擇可采用面積乘積法：

對于正激式變壓器：

Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae)

(Ae：磁芯截面積，Vin：輸入電壓，Ton：導(dǎo)通時間，DB＝Bm－Br，Np為變壓器原邊匝數(shù))。

Q=(I1×Np)/(Ku×j×2)

(Q為窗口面積，I1、Np對應(yīng)初級繞組電流和匝數(shù)，Ku為窗口系數(shù)，即銅線截面積之和與窗口面積比值。一般Q可取0.3～0.35，j為導(dǎo)線電流密度可取8～15A/m2，上式中假定原邊繞組占整個繞組截面積的1/2)

Ae×Q=Po/(2×h×Ku×j×ΔB)

根據(jù)輸出功率P0，預(yù)測效率h，導(dǎo)通時間Ton和工作磁感應(yīng)變化范圍DB等參數(shù)可求出Ae和Q乘積，作為初選磁芯型號的依據(jù)，如果對磁芯選擇比較有經(jīng)驗也可越過該步驟，直接進入下一步。

★ 計算并調(diào)整原副邊匝數(shù)

a、計算原邊匝數(shù)：　　Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae)

b、計算副邊匝數(shù)：　　N2=(Vo+Vd+Io×R)/(D×Vin)

(V0為輸出電壓，VD為輸出整流二極管壓降，Io×R為線路壓降，Vin為直流輸入電壓,D為占空比)

c、副邊電流有效值：I2=Io×sqr(D)

d、原邊電流有效值：I1＝（I2×N2/Np）×(1+5%) (取勵磁電流為原邊電流5％)

根據(jù)電流有效值和導(dǎo)線選擇經(jīng)驗，同時考慮高頻工作時導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，當(dāng)電流較大時，采用多股并繞，每股線徑不得大于2倍穿透深度，漆包線的線徑和股數(shù)可適當(dāng)調(diào)整，使線包每一層能正好繞滿，若計算出的原、副邊匝數(shù)非整數(shù)，可選擇匝數(shù)較小的一方取整，再根據(jù)匝比推算其他繞組匝數(shù)。

★ 校核窗口和最大磁感應(yīng)

根據(jù)公式 Ku=Ae/Q 校核窗口，窗口系數(shù)Ku約為0.3～0.35。

如果在計算副邊取整過程中調(diào)整了匝數(shù)，應(yīng)由公式Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae)校核最大磁感應(yīng)，最大磁感應(yīng)在3000Gs以內(nèi)，如果有條件，最好試?yán)@一個變壓器，進行實驗,然后根據(jù)最低輸入電壓和最大載時的開關(guān)波形來進行反推（這種方法最有效，當(dāng)然也最危險，畢竟你還未完全調(diào)試出來時可能會炸機的噢！最好有一塊可記憶的示波器和一個同事在旁！你以為做什么？呵呵~~當(dāng)然是即時地給你送到醫(yī)院啦?。。?。

4、輸出電感設(shè)計

輸出濾波電感設(shè)計的基本要求是滿足電感量，保證流過最大電流時磁芯不會飽和，窗口要繞得下。單端正激式電路輸出電感設(shè)計可分為以下幾個步驟。

a、確定電感量并初選磁芯型號。

b、確定電感峰值電流。

c、確定線圈匝數(shù)和氣隙。

d、確定導(dǎo)線線徑。

e、校核窗口和最大磁感應(yīng)。

★ 確定電感量并初選磁芯型號

首先通過電路設(shè)計確定輸出濾波電感值，濾波電感值取大一些可減小初、次級電流峰值，減小輸出紋波噪聲，但電感量的增加受到電感體積、尺寸的限制，同時電感過大會造成系統(tǒng)時間常數(shù)大，給控制帶來問題，電流上升斜率太小，采用電流控制型方案時還容易出現(xiàn)次諧波振蕩問題，因此電感量值的選取應(yīng)綜合考慮以上因素。選定電感值后，根據(jù)電感最大貯能值0.5×L×I×I，依據(jù)經(jīng)驗或磁芯廠家提供的速查圖表，初選一磁芯型號代入以后步驟進行計算。

★ 確定電感峰值電流

Imax=Io+2×Vo×Toff/L(Toff為關(guān)斷時間)

★ 確定線圈匝數(shù)和氣隙

由于電感電流中存在較大的直流分量，當(dāng)選用鐵氧體磁芯時，一定要加入氣隙，可在實際調(diào)試中去調(diào)整氣隙的大小；也可考慮使用FeSiAl材料或P.P.M材料的磁環(huán)（呵呵~~　可別以為我出餿主意噢！效果會好多了，不過會使電源更值錢些罷了?。。。?。

一般輸出濾波電感最大磁感應(yīng)強度可取為3000Gs左右，選定Bm后聯(lián)解以上兩式可求出匝數(shù)N和氣隙長度d。

匝數(shù)N應(yīng)進行取整，當(dāng)匝數(shù)少電流大時，應(yīng)盡量避免取半匝的情況。

★ 計算并確定導(dǎo)線線徑

確定匝數(shù)后，根據(jù)電流有效值選取導(dǎo)線線徑，電流較大時，仍需采用多股并繞，但由于電感電流中交流成份比較小，集膚效應(yīng)不明顯，必要時可選用較粗的導(dǎo)線繞制。

★ 校核窗口和最大磁感應(yīng)

電感設(shè)計完成后，可在實驗中進一步調(diào)整氣隙，以達到最佳的電感量和工作磁通。

雙管正激變換器

1、電路拓?fù)鋱D

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個電感器Lo（續(xù)流電感）起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級無需再有復(fù)位繞組，因為D1、D2的導(dǎo)通限制了兩個調(diào)整管關(guān)斷時所承受的電壓。輸出回路需有一個整流二極管D3和一個續(xù)流二極管D4（其中D3、D4均最好選用恢復(fù)時間快的整流管）。輸出濾波電容Co應(yīng)選擇低ESR（等效電阻）大容量，有利于降低紋波電壓（當(dāng)然這對于其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的也是這樣要求）。

3、工作特點

a、在任何工作條件下，為使兩個調(diào)整管所承受的電壓不會超過Vs+Vd　(Vs：輸入電壓；Vd:D1、D2的正向壓降，)，D1、D2必須是快恢復(fù)管（當(dāng)然用恢復(fù)時間越短越好，我在實際設(shè)計和調(diào)試中多使用MUR460）。

b、在與單端正激變換器相比，無需復(fù)位電路，有利于簡化電路和變壓器設(shè)計；功率器件可選擇較低的耐壓值；功率等級也會很大，據(jù)我所知現(xiàn)在很多大功率等級的通信電源及電力操作電源都選用了這種電路。

c、兩個調(diào)整管工作狀態(tài)一致，同時處通態(tài)或斷態(tài)。我個人建議在大功率等級電源中選用此種電路，主要是調(diào)整管好選，比如IRFP460、IRFP460A等調(diào)整管即可。

4、變壓器計算

在實際設(shè)計和調(diào)試中，與單管正激變換器變換器中變壓器設(shè)計方法相同，不過省去了復(fù)位繞組。

5、輸出電感計算

單端正激、雙管正激、半橋、推挽、全橋、BUCK等電路設(shè)計方法相同。我實際設(shè)計和調(diào)試中一般僅以公式計算值作參考，適當(dāng)?shù)目梢哉{(diào)整匝數(shù)以達到最佳狀態(tài)（我個人認(rèn)為）。

推挽式變換器

1、電路拓?fù)鋱D

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開關(guān)管Q1開通時，變壓器T1的Np1繞組工作并耦合到付邊Ns1繞組，開關(guān)管Q關(guān)斷時Np向Ns釋放能量；反之亦然。在輸出端由續(xù)流電感器Lo和D1、D2付邊整流電路。開關(guān)管兩端應(yīng)加一RC組成的開關(guān)管關(guān)斷時所產(chǎn)生的尖峰吸收電路。

此電路大概也可能稱為正反激電路吧！我也不敢確定。因為曾經(jīng)有個同事與我說起Lambda有一款電源PH300F（DC/DC 5V/60A 全磚）就采用了正反激電路，我也沒見過此模塊電源實物，他也沒見過推挽電路圖，根據(jù)他說的及當(dāng)時所測的波形，與推挽工作相似。所以我只是估猜，如有錯誤希各位同仁指出并斧正，免得誘導(dǎo)壞“小孩子”。

3、工作特點

a、在任何工作條件下，調(diào)整管都承受的兩倍的輸入電壓。所以此電路多用于大功率等級的DC/DC電源中，這樣才有利于選材料。

b、兩個調(diào)整管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動波形相位差要大于180°（一般書上說差等于180°，呵呵~~~您可以試一試），因為要存在一定死區(qū)時間。

c、此電路與半橋式變換器一樣，也存在一定的磁偏問題。不過我不知道我是否遇到，當(dāng)時只是用20M帶寬的模擬示波器又無存儲功能，最主要的是我當(dāng)時對這電路工作原理并未完全弄懂。

4、變壓器計算

步驟與前相同（省去）

★ 計算匝伏比：N/V=Ton/(ΔB×Ae)

★ 原邊繞組匝數(shù)：Np=Vinmin×(N/V)

★ 付邊繞組匝數(shù)：N2=(Vo+Vd+Io×R)×(N/V)

★ 其它的驗證及導(dǎo)線選擇參考《單端正激式》

5、輸出電感設(shè)計

參考《單端正激式》

半橋變換器

1、電路拓?fù)鋱D

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，Np繞組上承受一半的輸入電壓，付邊繞組電壓使D1導(dǎo)通；反之亦然。輸出回路D1、D2、Lo、Co共同組成了整流濾波電路。

此電路減小了原邊調(diào)整管的電壓應(yīng)力，所以是目前比較成熟和常見的電路；如PC Power　70%以上、電子鎮(zhèn)流器60%都使用此電路。

3、工作特點

a、兩個調(diào)整管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動波形相位差要大于180°，因為要存在一定死區(qū)時間。

b、C1＝C2、R1=R2。

c、C1、C2主要用來自動平衡每個調(diào)整管的伏秒值；許多的半橋此處多用高壓鋁電解電容，多炸機都爆電容，因為鋁電容存在一個高頻特性的問題。你如果還在用這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不妨可以試用一下CBB電容。

d、C3主要是濾去影響伏秒平衡的直流分量，也用CBB電容。曾經(jīng)就有一個朋友就這個CBB電容的引腳粗細(xì)（即太細(xì)多并幾個CBB電容，0~30V/0~30A的儀器電源）與我討論過，嘻嘻~~~　您說呢？！

4、變壓器計算

步驟與前相同（省去）

★ 原邊繞組匝數(shù)：Np=Vinmin×Ton/(2×ΔB×Ae)

★ 付邊繞組匝數(shù)：N2=(Vo+Vd+Io×R)×2×Np/Vinmin

★ 其它的驗證及導(dǎo)線選擇參考《單端正激式》

5、輸出電感計算

參考《單端正激式》

全橋變換器

1、電路拓?fù)鋱D

2、電路原理

此電路多用于大功率等級電源中，目前國內(nèi)許多研究機構(gòu)都在此電路是做改造，但對于多數(shù)的電源生產(chǎn)廠商來說此電路成熟的產(chǎn)品市場占有率很低，自身設(shè)計投入開發(fā)成本會很高。

此電路我只是見過，以及相應(yīng)的芯片組，電源成品只看過中興通訊的ZXD1200（如果沒記錯的話，好象型號是這）。反正我沒有調(diào)試過，希望那個公司或資本家能夠投入成本，讓我錘煉一下，也好把相應(yīng)的體會告訴大家。

3、工作特點

a、變壓器利用率也比較高，空載能量可以反饋回電網(wǎng)、電源效率高。

b、穩(wěn)態(tài)無靜差、動態(tài)響應(yīng)速度足夠快、系統(tǒng)穩(wěn)定、抗高頻干擾能力強。

4、變壓器計算

步驟與前相同（省去）

★ 原邊繞組匝數(shù)：Np=Vinmin×Ton/(ΔB×Ae)

★ 付邊繞組匝數(shù)：N2=(Vo+Vd+Io×R)×Ton/(ΔB×Ae)

★ 其它的驗證及導(dǎo)線選擇參考《單端正激式》

5、輸出電感設(shè)計

參考《單端 正激式》