Flyback反激设计总结.

1Flyback反激设计总结Sun2014.09.102目錄•反激变换器的应用•反激变换器的工作原理•反激变压器的设计步骤•设计时的注意事项及课后作业3目錄•反激变换器的应用•反激变换器的工作原理•反激变压器的设计步骤•设计时的注意事项及课后作业4反激变换器的应用众所周知，电子设备都需要电源，并且95%以上的电源是开关电源。而对于中小功率的开关电源使用最多的拓扑是反激结构。实际应用场合：功率一般在150W以内的隔离电源，如笔记本电脑适配器、手机适配器、工业电源等。优点：1、电路简单，成本低，可靠性高。2、输入电压在很大的范围内波动时，仍能稳定输出，无需输入电压切换而达到稳定输出的要求。3、转换效率较高，损耗小。4、容易实现多路输出缺点：1、输出电压纹波较大，负载调整精度不高，输出功率受限制，通常应用于150W以下。2、工作在CCM模式下，有较大的直流分量，易导致变压器磁芯饱和，从而加大了变压器的体积。3、当变换器工作在CCM/DCM两种不同状态下，变压器设计和环路补偿设计较困难。5目錄•反激变换器的应用•反激变换器的工作原理•反激变压器的设计步骤•设计时的注意事项及课后作业6反激变换器的工作原理Flyback与Buck-Boost之间的关系FlybackBuck-BoostTransformer+7反激变换器的工作原理onoffVin+NVo+Vin/NVdsSVDImID000(a)CCMWaveforms(ideal).VoonoffVdsSVDImVinNVo(b)DCMWaveforms(ideal)当开关晶体管Trton时,变压器初级Np有电流Ip,并将能量储存于其中(E=Lp*Ip*Ip/2).由于Np与Ns极性相反,此时二极管D反向偏压而截止,无能量传送到负载.当开关Troff时,由楞次定律:(e=-N△Φ/△T)可知,变压器原边绕组将产生一反向电势,此时二极管D正向导通,负载有电流IL流通。8目錄•反激变换器的应用•反激变换器的工作原理•反激变压器的设计步骤•设计时的注意事项及课后作业9反激变压器的设计步骤系统输入规格：•输入电压：Vacmin～Vacmax•输入频率：fL•输出电压：Vo•输出电流：Io•工作频率：fs•输出功率：Po•预计效率：η•输入功率：Pin=Po/η•最大温升：40℃10反激变压器的设计步骤1.1选择开关管和输出整流二极管1.2计算变压器匝比1.3确定最低输入电压和最大占空比1.4反激变换器的工作过程分析1.5计算初级临界电流均值与峰值1.6计算变压器初级电感量1.7选择变压器磁芯1.8计算变压器初级匝数、次级匝数和气隙长度1.9满载时初级峰值电流1.10最大工作磁芯密度Bmax1.11计算变压器初级电流、副边电流的有效值1.12计算原边绕组、副边绕组的线径，估计窗口占有率1.13计算绕组的铜损与铁损1.14变压器绕线结构及工艺11反激变压器的设计步骤1.1选择开关管和输出整流二极管开关管MOSFET：耐压值为Vds-mos输出二极管：（1）肖特基二极管（2）最大反向电压Vd（3）正向导通压降为Vf1.2计算变压器匝比考虑开关器件电压应力余量(Typ=20%)开关ON开关OFF匝比Note：计算匝比一般有两种方法，一种如上图所示；另一种方法先确定工作模式和占空比，再进行计算，可参考3KW辅助电源设计实例。121.3确定输入滤波电容上的最低输入电压和最大占空比反激变压器的设计步骤输入滤波电容：2uF～3uF/W（经验值）最低输入电压（假设tc=3mS）最低输入电压，最大功率时，占空比最大Dmax13反激变压器的设计步骤1.4反激变换器的工作过程分析（以CCM设计为例）（1）低输入电压时，负载从轻载到重载，变压器经历从DCM-BCM-CCM的过程；（2）高压输入时，负载从轻载到重载，变压器可能一直工作在DCM；14反激变压器的设计步骤1.5计算初级临界电流均值和峰值按照最小输入电压，最大输出功率（Po_max）的条件计算：Note：临界点的设计视具体情况而定，通常有两种方式定义临界点：1）设定满载的百分之几十达临界点；2）设定满载时的电流纹波系数Kr，当Kr刚好上升到1时为临界点。例如当Po=1/3Po_max时，变换器工作在BCM临界模式；当Po1/3Po_max时，变换器工作在DCM断续模式；当Po1/3Po_max时，变换器工作在CCM连续模式；BCM模式下，最小输入电压时的平均输入电流：变压器初级临界电流峰值：15反激变压器的设计步骤1.6计算变压器初级电感量最低输入电压，BCM条件下，最大导通时间：变压器初级电感量：1.7选择变压器磁芯基于输出功率和开关频率计算面积乘积，根据面积乘积来选择磁芯（近似的估算公式）：Ko是窗口的铜填充系数，取Ko=0.2Kc是磁芯填充系数，对于铁氧体磁芯取Kc=1Bm是变压器工作磁通密度，取Bm=0.5*Bsat=1600GJ是电流密度，取J=4.0A/mm2Note：考虑绕线空间，尽量选择窗口面积大的磁芯，查表选择Aw和Ae16反激变压器的设计步骤1.8计算变压器初级、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度初级绕组的匝数：（1）增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗的减小或增加。（2）以TDG公司的TP4W铁氧体磁芯为例，在100kHZ的条件下，损耗与成正比，匝数减小5%会使磁芯损耗增加15%次级绕组匝数：辅助绕组匝数：气隙长度：B2.8617反激变压器的设计步骤1.9满载时初级的峰值电流（1）工作在CCM模式时，Ton_max固定不变（2）输入电压不变，BCM的Ton_max等于CCM的Ton_maxTon_max内，电感电流线性上升增量：低输入电压，满载条件下：变压器初级峰值电流：18反激变压器的设计步骤1.10最大工作磁芯密度Bmax如果BmaxBsat，则证明所选择的磁芯满足设计要求，否则重新选择磁芯。1.11计算变压器初级电流、副边电流的有效值梯形波电流的中值：电流直流分量：电流有效值：电流交流分量：19反激变压器的设计步骤1.12计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口系数Ko（1）导线的横截面积自然冷却时，一般取电流密度J=4A/mm2初级绕组截面积：Sp=Iprms/4A/mm2次级绕组截面积：Ss=Isrms/4A/mm2（2）线径及根数集肤深度导线线径不超过集肤深度的2倍，若超过了，则需多股并绕。（3）根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙（4）窗口系数ko20反激变压器的设计步骤1.13计算绕组的铜损与铁损（1）根据导线的电阻和集肤深度确定每个绕组的铜损（2）查磁芯资料，计算铁损（3）总损耗要小于预算损耗温升经验公式：1.14变压器绕线结构及工艺（1）磁芯的选取,MnZn功率铁氧体材料是开关电源变压器铁芯的最佳选择：1、高频损耗低;2、高饱和磁通密度Bs.（2）绕法初级和次级交错式（三明治）绕法：漏感小Ploss=κ*ƒα*Вβ查看磁芯手册，计算出磁芯损耗：21目錄•反激变换器的应用•反激变换器的工作原理•反激变压器的设计步骤•设计时的注意事项及课后作业22设计时的注意事项及课后作业1、开关电源的基本结构关系TransformerBoostForwardPush-PullHalf-BridgeFull-BridgeBuck-Boost++BuckTransformer+Transformer+FlybackPush-PullModeBoostFull-bridgeModeBoost开关电源的基本拓扑关系如上所述，还有一些拓扑，如LLC、不对称半桥、移向全桥等拓扑也是由这些拓扑演变而来的。23设计时的注意事项及课后作业2、反激DCM和CCM模式的对比实际产品设计时会根据最大输出功率的大小采用CCM+DCM或DCM模式，一般小功率（如小于50W）情况下多采用DCM模式，更大功率（如75W以上）采用CCM+DCM模式（重载CCM，轻载DCM）。这两种模式的性能对比如下所示：CCMDCMIp&PLoss-conLowHighVPKofRectifierHighLowPLoss-switchHighLowVTLargeSmallLCfilterSmallLargeIRippleofCin&CoLowHighEMISmallBigControlLoopHardEasy24设计时的注意事项及课后作业3、反激变压器的基本参数变化对电路的影响反激电路设计的重点与难点是变压器设计，这里变压器起的作用：1、电感的作用，存储能量；2、匝比，方便改变电压；3、隔离作用。25设计时的注意事项及课后作业4、反激变压器设计的注意事项（1）反激变压器实际上是一个储能电感，开关导通时能量储存在电感中，开关关断时，电感中能量向二次侧释放。能量主要储存在铁芯Gap中，由于受Gap体积的限制，所以反激变压器传输的功率有限，反激变换器只适用于低功率场合（一般在150W以下）；（2）选用中柱截面大的铁芯，保证在小的Gap尺寸时也能储存（传输）更多的能量，例如PQ、RM、EQ等铁芯，同时这类磁芯因为有大的表面积，有利于散热，线包被近似罐形的铁芯包围，磁力线被铁芯屏蔽，所以可以减小电磁辐射干扰；（3）设计时要弄清楚是完全工作于DCM模式还是CCM和DCM混合模式，后者还要清楚两种工作模式转换之临界条件，这些给反激变压器设计带来难度。（4）最大占空比Dmax的选择受主MOS的耐压限制。设计时以MOS管耐压选择最大占空比Dmax（VDSVinmax+n*(Vo+Vf)），并留一定的余量（漏感还将引起一个电压尖峰）。并且如果Dmax大于0.5，那么对于峰值电流控制的方案需要加入谐波补偿电路。26设计时的注意事项及课后作业5、设计反激电源还需要学习的主要内容（1）反馈环路与控制电路的学习，例如光耦TL431反馈电路、UC3843峰值电流控制等。（2）热设计，需要考虑器件的散热，这对于产品的可靠性影响很大。（3）PCB设计，需要考虑布局与布线。6、课后作业用反激拓扑设计与制作一个开关电源：输入市电85Vac～265Vac，输出电压12V，输出电流2.5A，输出功率30W。。。Note：提供一个参考设计实例，控制芯片选用UC38432728敬請指教