工程師技術(shù)講解：基于回轉(zhuǎn)變壓器的功能和應(yīng)用設(shè)計(jì)

低成本、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且效率高的回轉(zhuǎn)變壓器已成為100W至150W電源設(shè)計(jì)的常用解決方案。與采用相似拓?fù)涞碾娐废啾?，回轉(zhuǎn)變壓器的其它優(yōu)點(diǎn)包括主副分離，以及能夠提供多路輸出和選擇正負(fù)電壓電路作為輸出。

本文討論了回轉(zhuǎn)變壓器中所用的回轉(zhuǎn)或側(cè)邊阻塞型變壓器的參數(shù)。后一種變壓器已應(yīng)用多年，其拓?fù)湓谧儔浩鞣蛛x的整流器家族中具有獨(dú)特性。

回轉(zhuǎn)變壓器功能

當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，能量?jī)?chǔ)存在主電路中(磁芯材料內(nèi))。如圖1所示，變壓器和二極管上極點(diǎn)的排列使開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)沒(méi)有能量傳輸給負(fù)荷電路。當(dāng)關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí)，變壓器線圈的極性由于采用扁平磁場(chǎng)而被保留，輸出整流器導(dǎo)線和磁芯材料儲(chǔ)存的能量被傳輸給負(fù)荷電路。此活動(dòng)將持續(xù)進(jìn)行，直到磁芯中的能量耗盡，或者電源開(kāi)關(guān)再次打開(kāi)。

回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器可以運(yùn)行在間斷或連續(xù)模式下。在間斷模式下(見(jiàn)圖2)，當(dāng)FET打開(kāi)/關(guān)閉時(shí)，磁芯內(nèi)存儲(chǔ)的能量在回轉(zhuǎn)過(guò)程中完全從磁芯中清空。在連續(xù)模式下(見(jiàn)圖3)，磁芯清空回轉(zhuǎn)能量之前打開(kāi)FET。典型的回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器可根據(jù)負(fù)荷和輸入電壓情況運(yùn)行于這兩種模式下。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮低電壓時(shí)的最大負(fù)荷，包括回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器運(yùn)行范圍內(nèi)的所有狀況，因?yàn)樗谘h(huán)期間將簡(jiǎn)單地關(guān)閉(簡(jiǎn)單模式)，并等待負(fù)荷需求滿足電源傳輸能力。這是回轉(zhuǎn)變壓器的一個(gè)動(dòng)態(tài)特征，用于對(duì)大范圍的輸入電壓和負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。

回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)

下列等式通常用于限定回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器的參數(shù)。產(chǎn)品遵循以下典型的設(shè)計(jì)實(shí)例。

假設(shè)V=Ldi/dt，且Vin，min=(LpIppf)/(δmax)，其中：Vin=輸入電壓，單位：V;Lp=初級(jí)線圈電感，單位：mH;Ipp=峰值電流，單位：A;δmax=最大工作循環(huán)，單位：us;f=運(yùn)行交換頻率，單位：Khz;間斷模式功率輸出=0.5*Lp*I2pp*f;Ipp=(2Pout)/(Vin，min*δmax)

在上述回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器中，PWM負(fù)責(zé)完成調(diào)節(jié)。如果穩(wěn)壓器Vin，min與Vin，max不同，則：δmin=(δmax)/((1-δmax)C+δmax)其中C=Vin，max/Vin，min由于Ipp已知，所以：Lp=(Vin，min*δmax)/(Ipp*f)，盡管設(shè)計(jì)人員可依賴磁芯選擇的經(jīng)驗(yàn)，但這僅是一個(gè)近似值。建議采用以下公式獲得更接近的估計(jì)結(jié)果。

A c *A e =(((6.33*4)*Lp*Ipp*D2)*108)/Bmax其中：Ac=繞線區(qū)域，單位：cm2;Ae =磁芯有效區(qū)域，單位：cm2;Bmax=Bsat/2，單位：Gauss。請(qǐng)向磁芯制造商了解材料和損耗以及頻率。D=線路的直徑，單位是英寸。

回轉(zhuǎn)變壓器的氣隙必須計(jì)算，因?yàn)樗\(yùn)行于單端，并且僅使用助焊劑容量的一半。這可能會(huì)導(dǎo)致磁芯達(dá)到飽和狀態(tài)。

Gap(cm)=lg =((0.4*π*Lp*I2pp)*10^8)/(Ae*B2max)確定氣隙長(zhǎng)度后，可以得到主副旋轉(zhuǎn)數(shù)。Npri=(Bmax*lg)/(0.4*π*Ipp)；Nsec=(Np(Vp+Vd)(1-δmax))/(Vin，min*δmax)。

下例表示間斷模式下的回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代的設(shè)計(jì)采用PFC(功率因數(shù)校正)概念，在校正后立即定位。升壓拓?fù)渫ǔＳ糜谄鋭?dòng)態(tài)特征和大范圍的輸入電壓。本例中沒(méi)有提到PFC。

設(shè)計(jì)參數(shù)

Vinput=85至132Vac;Voutput=5Vd*10A=50W;頻率=100kHz;假設(shè)δmax=0.45。

1、計(jì)算峰值Ipp

由于Vin，min=85Vac，則Vin，min=85*1.4-20V。因?yàn)椴y和二極降壓管為大約100Vdc，所以：Ipp=2Pout/(Vinmin*δmax)=100/(100*0.45)=2.22A

2、計(jì)算δmin

Vin，max=132Vac*1.4=185Vdc，指定10%的余量，則Vin，max=203Vdc，此處取200Vdc。對(duì)Vin，min指定10%的余量，則Vin，min=90Vdc。

從上可得出輸入電壓比率C=200/90=2.22，因此δmin=0.45/((1-0.45)*2.22+0.45)=0.27。從這些結(jié)果可以得出，穩(wěn)壓器在Vin范圍為200Vdc到90Vdc時(shí)，運(yùn)行的負(fù)荷比是0.27至0.45。

3、計(jì)算初級(jí)線圈電感

Lp=90*0.45/(2.22*100Khz)=0.18mH

4、選擇磁芯

在本例中，我們選擇電流密度為大約300c.m/A。由于Ipp=2.22A，總c.m為300*2.22=666c.m。從線路圖中，22A WG的直徑為.028英寸。我們選擇Magnetics公司材料類型“P”，并且從目錄中選擇Bmax=500Gauss。結(jié)果得出大約100mW/cm3。

因此，AcAe=(6.33*4)*(.00018)*2.22*(.028) 2*(10^8)/(500)=1.59 cm^4，AcAe=1.60cm^4。