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網(wǎng)友經(jīng)驗(yàn):教你計(jì)算反激變壓器臨界模式

發(fā)布時(shí)間:2015-03-18 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】目前網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于反激變壓器的學(xué)習(xí)資料五花八門且比較零散,本文就將對(duì)反激變壓器的設(shè)計(jì)分段進(jìn)行從頭到尾的梳理,將零散的知識(shí)進(jìn)行整合,并配上相應(yīng)的分析,幫助大家盡快掌握。本篇文章將要為大家介紹的是反激變壓器中臨界模式的計(jì)算方法及分析。
 
反激式是目前比較主流的一種變壓器設(shè)計(jì)方法,很多新手都通過(guò)反激電源的制作來(lái)熟悉電源設(shè)計(jì),目前網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于反激變壓器的學(xué)習(xí)資料五花八門且比較零散,本文就將對(duì)反激變壓器的設(shè)計(jì)分段進(jìn)行從頭到尾的梳理,將零散的知識(shí)進(jìn)行整合,并配上相應(yīng)的分析,幫助大家盡快掌握。
 
本篇文章將要為大家介紹的是反激變壓器中臨界模式的計(jì)算方法及分析。
 
產(chǎn)品的基本規(guī)格要求
 
交流輸入范圍:176~265VAC
 
輸出電壓電流:12V2A
 
工作溫度:-25~+55℃
 
前期方案分析
 
這是一個(gè)很常見的技術(shù)規(guī)格,我們拿到產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書時(shí)至少需要做到兩點(diǎn):
 
產(chǎn)品應(yīng)用在什么場(chǎng)合
 
產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合決定了最終的設(shè)計(jì)方案,這需要跟公司內(nèi)部人員(如果是自用)或者客戶(定制類產(chǎn)品)充分溝通。如果是通用競(jìng)爭(zhēng)性型產(chǎn)品,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案往往不是由你個(gè)人來(lái)制定的,需要密切關(guān)注行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(動(dòng)向)以及自身的產(chǎn)品定位,例如程工、拒絕變帥他們發(fā)布的大量設(shè)計(jì)方案、觀點(diǎn),這些都是你要關(guān)注的內(nèi)容。
 
保持清醒的頭腦
 
如果產(chǎn)品是低成本應(yīng)用,你一上來(lái)方案就高端大氣上檔次,結(jié)果可想而知,反之亦然。有些人用少量的濾波器就能通過(guò)EMC測(cè)試,有些人用很小的變壓器就能夠輸出很大的功率,有些人能夠獲得極高的效率……….一幕幕著實(shí)讓人熱血沸騰。這個(gè)時(shí)候需要保持清醒的頭腦,你需要考慮自己的經(jīng)驗(yàn)是否足夠,產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合是否一致,成本是否可以接受,公司的生產(chǎn)工藝是否達(dá)到某些特定的要求,物料采購(gòu)是否通用、流暢。
 
方案論證時(shí),需要全面考慮,多問問自己,還有沒有沒想到的地方。特別是小批量的自用產(chǎn)品,你更多的是需要考慮公司庫(kù)存、采購(gòu)環(huán)節(jié)、后續(xù)其它產(chǎn)品應(yīng)用方面的非技術(shù)問題。之所以一直強(qiáng)調(diào)應(yīng)用場(chǎng)合,是因?yàn)閷I(yè)生產(chǎn)電源的公司,不管公司大小出錯(cuò)的概率較小。而非專門生產(chǎn)電源的公司,初學(xué)者很難獲得足夠的技術(shù)支持,在各方面的條件還達(dá)不到的情況下,盲目跟隨往往得不償失。
 
開關(guān)頻率選擇
 
較為常見的開關(guān)頻率一般是65KHZ、100KHZ、132KHZ,當(dāng)然也有不少變頻模式的芯片,這里暫不考慮。當(dāng)然有不少芯片可以自設(shè)開關(guān)頻率,為了簡(jiǎn)化篇幅,也不再涉及。
 
176~265VAC輸入,12V2A輸出的話。就選擇固定65KHZ的開關(guān)頻率吧。
 
Cin的選擇
 
Cin的選擇方法見上文分析。176~265VAC輸入,12V2A輸出,選擇22-47uF/400V都是可以的,選擇就選擇47uF。
 
VDCmin=230VDC(此值是用PI的軟件計(jì)算出來(lái)的)
 
需要關(guān)注以下三點(diǎn):
 
如果是工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用,不要選擇400VDC的耐壓;
 
HVDC的紋波電壓不要超過(guò)70V,176VAC輸入,也就是VDCmin≥180VDC;
 
Cin同樣需要考慮紋波電流,不過(guò)似乎多數(shù)人并不考慮。
 
磁芯選擇
 
本方案中,磁芯選擇常見的EF25磁芯,為了獲得較低的磁芯溫升,盡量把BAC控制在1000-2000GS之間。
 
磁芯的選擇是門大學(xué)問,有什么KG法、KP法。但我個(gè)人的感覺反激變壓器采用這兩種方法并不實(shí)用。我建議采用磁芯的Ve或者是重量來(lái)計(jì)算比較合適,詳見《開關(guān)電源設(shè)計(jì)與優(yōu)化》,P184、P184的例子,采用EF25磁芯,100KHZ時(shí)輸出功率30W。這意味著我們現(xiàn)在65KHZ只能輸出20W(30W*65/100)。盡管頻率固定,但反激變壓器的輸出功率是可以在一個(gè)較大的范圍內(nèi)“波動(dòng)”,沒有精確值!
 
那么開關(guān)頻率選擇65KHZ時(shí),EF25磁芯的輸出功率能否“波動(dòng)”到30W以上呢?答案是肯定的。關(guān)鍵點(diǎn)在于線徑、KRP、TON的選擇,更不用說(shuō)更換磁芯材質(zhì)、采用三重絕緣線。采用較小的磁芯輸出較大的功率,理論的分析很重要,但更重要的是你原意付出辛苦的汗水。對(duì)于常規(guī)技術(shù)指標(biāo),建議采用常見的低成本磁芯就可以了,如EE、EI、EF、EER,對(duì)于非常規(guī)的技術(shù)指標(biāo),低成本磁芯往往滿足不了某些特別的技術(shù)要求,如體積的、漏感的、絕緣耐壓的、高度的、占用面積的,需要靈活選用。
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效率估算
 
效率的估算很麻煩,需要足夠的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。值得慶幸的是,小功率產(chǎn)品,效率這個(gè)指標(biāo),對(duì)變壓器參數(shù)的影響并不明顯。如果真的不知道如何估算效率,我建議不管輸出電壓電流為多少,50W以下的產(chǎn)品,最好全部按照85%來(lái)計(jì)算。盡管不太科學(xué),但是非常實(shí)用。
 
Dmax估算
 
先給出一些與Dmax相關(guān)的現(xiàn)象:
 
Dmax與VDCmin、溫度密切相關(guān);
 
Dmax其實(shí)就是反射電壓(UOR),決定了MOS管的電壓裕量;
 
Dmax是最大占空比,但是Dmax與KRP決定了最小占空比(空載時(shí)非降頻芯片);
 
Dmax決定了磁芯損耗;
 
Dmax取值過(guò)大,變壓器原邊可能繞不下;
 
Dmax取值過(guò)小,變壓器次邊可能繞不下;
 
Dmax可以改變LP、IP、漏感……
 
反激變壓器的KRP、Dmax需要花大力氣研究,下面開始計(jì)算。
 
已知VDCmax=375VDC,假設(shè)MOS管的耐壓限值為600V,電壓裕量流出50V,那么:
 
600V-50V-375V=175V
 
175V指的是UOR加上尖峰電壓,如果選擇UOR見本貼的一些方法,如何降低UOR上的尖峰電壓,見論壇中的相關(guān)帖子。按照經(jīng)驗(yàn),如果變壓器漏感控制較好,可以獲得50V左右的尖峰電壓,也就是UOR應(yīng)該≤175V-50V=125V,UOR取100V左右應(yīng)該是一個(gè)較好的值。
 
當(dāng)然,如果選擇650V、700V的MOS或者集成控制器,UOR的選擇范圍,會(huì)更加靈活。但是較大的Dmax(較高的UOR值),會(huì)相對(duì)有較大的磁芯損耗。
 
采用QR模式設(shè)計(jì)時(shí),一般會(huì)選擇較大Dmax,采用650~800V的MOS,這是為了盡可能的降低開關(guān)損耗,另外改善空載特性,見相關(guān)文獻(xiàn)資料。
 
本例子中,我們選擇UOR=100VDC,即:
Vdson是MOS管的導(dǎo)通壓降,可以不考慮。
 
計(jì)算過(guò)程
 
臨界模式的計(jì)算公式非常簡(jiǎn)單,只需要在公式中代入上述參數(shù)即可。
 
已知VDCmin=230VDC,輸出電壓電流12V2A,開關(guān)頻率65KHZ(T=15.4us),采用EF25磁芯,BAC控制在1000~2000GS之間,UOR取100VDC,TON=T*Dmax=4.6us,采用臨界模式設(shè)計(jì)(即KRP=1.00)。
公式還是那個(gè)公式,但為什么會(huì)是這樣的?
 
現(xiàn)在都是已知量了,直接V*TON/AE*BAC不就可以得出NP嗎?
 
需要告訴一些新手,其實(shí)不是這樣。計(jì)算到了這一步,變壓器的設(shè)計(jì)就變得非常關(guān)鍵。
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NP計(jì)算的補(bǔ)充內(nèi)容:
 
我們已經(jīng)知道,初級(jí)有效電流為0.26A,如果原邊線徑的電流密度取4~6A/mm²,那么原邊大概需要0.043~0.065mm²的導(dǎo)線,從下表可以選擇合適線徑:
國(guó)內(nèi)外漆包線規(guī)格
表一國(guó)內(nèi)外漆包線規(guī)格
 
查表得知,對(duì)于0.26A的有效電流,取AWG29~AWG31會(huì)是比較好的選擇,對(duì)應(yīng)的公制線徑大概是0.25~0.35mm的普通漆包線。
表二EF25磁芯參數(shù)
EF25骨架參數(shù)
表三EF25骨架參數(shù)
 
從表三中得知,EF25骨架的幅寬大概是15.2mm,計(jì)算時(shí)我們可以取整數(shù)15mm。
 
已知EF25磁芯的AE=51.8mm²,VDCmin=230VDC,TON=4.6us,那么:
 
當(dāng)BAC=1000GS時(shí),NP=204T。
 
當(dāng)BAC=2000GS時(shí),NP=102T。
 
事先沒有核算,貌似匝數(shù)有點(diǎn)多誒!其實(shí)60~80T應(yīng)該比較合適,不過(guò)沒關(guān)系。
 
也就是如果選擇EF25磁芯,那么我們需要在15mm*2(假設(shè)NP設(shè)置為兩層)的骨架上繞制100~200T。
 
根據(jù)表一可知,AWG31漆包線大約每厘米可以繞制37.7T(即37.7T/cm),37.7T/cm*1.5cm=56.5T。
 
去掉6.5T,取整數(shù)50T,如果取值過(guò)于極限,工廠沒辦法生產(chǎn)(到底去掉幾匝,建議你們聽取供應(yīng)商的建議,以繞滿為準(zhǔn));
 
為了計(jì)算方便,NP沒有考慮擋墻寬度,不過(guò)次級(jí)你可以采用三重絕緣線。NP已經(jīng)“計(jì)算”計(jì)算出來(lái)了,剛好100T,擬采用AWG31漆包線平鋪兩層,每層50T。UOR已知為100VDC,我們可以直接用UO、NP獲得NS。
 
匝數(shù)比=UOR/(12V+0.5V)=8
 
NS=NP/8=100V/8=12.5T
 
NS計(jì)算值為12.5T,為了繞制方便,我們?nèi)S=12T。
 
需要強(qiáng)調(diào)的是,NS選擇線徑時(shí),同樣需要計(jì)算處次級(jí)有效電流,根據(jù)電流密度取T/cm值。
 
次級(jí)峰值電流:ISP=IP*8=0.82A*8=6.5A
 
次邊有效電流:
次級(jí)有效電流為3.1A,如果電流密度取4~6A/mm²,大概需0.5mm²截面積的漆包線。
 
次級(jí)同樣需要?jiǎng)偤脻M足平鋪,但次級(jí)線徑的可選項(xiàng)有很多,例如次級(jí)可以采用多股線繞制。為了計(jì)算方便,我們次級(jí)同樣采用普通的漆包線,也不要擋墻了。
 
查表得知,AWG20(0.80mm)漆包線同樣滿足截面積要求,但是AWG20線為11.6T/cm,不滿足平鋪要求。如果采用雙股線,那么一層需要繞制12T*2=24T,查表得知,AWG24漆包線似乎是一個(gè)不錯(cuò)的選擇,16.3T/cm*1.5=24.5T(去掉0.5T,如果繞不下,再降低一個(gè)規(guī)格即可),雙股AWG24漆包線截面積為0.246*2=0.49mm²,剛好合適。
 
VCC繞組的計(jì)算不多述,在這里給出一個(gè)思考題。次級(jí)紋波電流是選擇輸出電容的主要依據(jù),如何來(lái)計(jì)算?
 
磁芯選了,NP、NS、LP及初次級(jí)的電流應(yīng)力也計(jì)算出來(lái)了,但是還沒有完成,需要仔細(xì)核算電壓應(yīng)力、磁芯的氣隙。
 
至此我們對(duì)反激變壓器的磁芯進(jìn)行了選擇,并對(duì)一些相關(guān)的參數(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算。下面的就要對(duì)電壓應(yīng)力,磁芯的氣隙等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步核算,小編將在下一篇文章當(dāng)中為大家?guī)?lái)這些參數(shù)的計(jì)算。
 
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