低成本,、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且效率高的變壓器" title="回轉(zhuǎn)變壓器">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)開關(guān)打開時(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)的排列使開關(guān)打開時(shí)沒有能量傳輸給負(fù)荷電路,。當(dāng)關(guān)閉開關(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,，或者電源開關(guān)再次打開,。
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（見圖2）,，當(dāng)FET打開/關(guān)閉時(shí),，磁芯內(nèi)存儲(chǔ)的能量在回轉(zhuǎn)過程中完全從磁芯中清空。在連續(xù)模式下（見圖3）,，磁芯清空回轉(zhuǎn)能量之前打開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)。現(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。本例中沒有提到PFC,。
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)開關(guān)打開時(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)的排列使開關(guān)打開時(shí)沒有能量傳輸給負(fù)荷電路,。當(dāng)關(guān)閉開關(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,，或者電源開關(guān)再次打開,。
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（見圖2）,，當(dāng)FET打開/關(guān)閉時(shí),，磁芯內(nèi)存儲(chǔ)的能量在回轉(zhuǎn)過程中完全從磁芯中清空。在連續(xù)模式下（見圖3）,，磁芯清空回轉(zhuǎn)能量之前打開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)。現(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,。
間斷模式
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/（Vin,，min*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。
5,、計(jì)算氣隙長(zhǎng)度
磁芯中心支路中,，lg=（0.4*π*0.00018*（2.22）2*10^8）/（1.37*（500） 2）≈0.30cm。
6,、計(jì)算主副旋轉(zhuǎn)數(shù)
Npri=500*0.30/（0.4*3.14*2.22）=54轉(zhuǎn)Nsec=54*（5+1）（1-0.45）/（90*0.45）=4.4轉(zhuǎn),。
我們使用5轉(zhuǎn)，因?yàn)槔@線會(huì)產(chǎn)生損耗,，PCB和其它拋物線損耗未包含在內(nèi),。接下來選擇輸出線路。對(duì)于10A的情況,，10*300=3000cm,，我們選擇16AWG作為副旋轉(zhuǎn)數(shù)。為最大程度降低由于表面效應(yīng)產(chǎn)生的銅損耗,，建議采用多股細(xì)線（4股22AWG線路相當(dāng)于單條16AWG線路）,。
設(shè)計(jì)工程師還必須檢查線軸填充因素和溫度升高因素，因?yàn)榘踩蟮膶?shí)施會(huì)增大回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器的尺寸,。
其它選項(xiàng)：定制回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器
CoEv Magnetics推出了多種SMPS穩(wěn)壓器,，以滿足客戶的需求和要求。定制穩(wěn)壓器用于優(yōu)化具體應(yīng)用領(lǐng)域的尺寸,、成本和性能,，并在開發(fā)時(shí)考慮了多個(gè)參數(shù)，包括：旋轉(zhuǎn)率,、電流處理能力,、激勵(lì)電平、感應(yīng),、泄漏感應(yīng),、自共鳴頻率,、DC阻抗、安裝配置,、絕緣電壓,。