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順向式變壓器設計原理(ForwardTransformerDesignTheory)*概述*工作原理*設計方法*設計實例*小結第一節.概述.順向式(Forward)轉換器又稱單端正激式或buck式轉換器.因其在原邊繞組接通電源VIN的同時繞組把能量傳遞到輸出端故而得名.Forward變換器中的變壓器是一個純粹的隔離變壓器.因此,在副邊輸出端須附加儲能電感器L,用以儲存及傳送能量.Forward變壓器之轉換功率通常在50~500W之間.其優點有:1.正激式變壓器通常使用無氣隙的CORE,電感值L較高,原副邊繞組之峰值電流較小(Φ=LI).因而銅損較小.2.開關管Tr的峰值電流較低.開關損耗小.3.适用于低壓.大電流.功率較大的場合.第二節.工作原理正激變換器的主回路如圖1.當開關管Tr導通時原邊繞組Np有電流Ip流過.,因副邊繞組Ns与Np有相同的同銘端.故副邊繞組通過D2把能量傳遞到輸出端.當Tr關斷時續流二极管D3導通釋放電感L中的能量給負載.在Trton時,變壓器原邊電流Ip=Im+Iload.其中磁化電流Im是無法傳送到副邊的能量.在Trtoff期間此磁能無法被泄放,磁化能量將引起較高的反壓加在Tr之C.E极間而損壞Tr.另一方面磁化能量的存在將使變壓器CORE趨于飽和,產生很大的集電极電流Ic,使Tr損壞.為解決上述問題,通常在變壓器中設置一消磁繞組NR,將磁化能量反饋到電源輸入端.當Trton時,儲能電感L內的電流將直線增加,如下式所示:diL/dt=Vs-Vo/L而Tr集電极電流Ic=Ip可用下式表示:Ic=Ip=Iload+Im=IL/n+[(TS*Dmax*VIN)/L]式中n:初級與次級之匝數比(Np/Ns)IL:輸出電感電流,即輸出負載電流.(A)Im:磁化電流.(A)Ts:工作周期.Ts=1/fs(μs)Dmax:最大導通占空比(Dmax=ton/Ts)L:輸出電感器之電感值(uH)VIN:輸入直流電壓(V)順向式變壓器設計原理(ForwardTransformerDesignTheory)ForwardTransformerDesignPrinciple1/10LiscOct.變壓器磁化電流可由下式求得:Im=VIN*ton/Lm=VIN*TS*Dmax/Lm因為Vout=Dmax*VIN/n(∵U=－e=N*dψ/dt=N*AedB/dt=dφ/dt=Ldi/dt)而VIN=n*Vout/Dmax所以Im=∫0→tVIN*dt/L=n*TS*Vout/Lm則Ic之關系式可改寫為:Ic=Ip=IL/n+n*Ts*Vout/Lm若忽略磁化電流部分,原邊峰值電流Ic為:Ic=Ip=IL/n=2Pout/(η*VIN*Dmax)式中IL=Io:負截電流(A);Pout:輸出功率Pout=Vo*Io(W)設η=80%.Dmax=0.4.則Ic=6.2Pout/VIN當Tr導通時間結束時,副邊峰值電流Is為:Is=IL+〔ton*(Vs-Vo+Vf)/2L〕Vf:二极管正向壓降.在能量轉換過程中,次級電流對磁芯起去磁作用,初級電流僅有很小一部分用來磁化磁芯.依據變壓器原理,次級在初級有反射電流I's.I's=Ns*Is/Np=Is/n則Np*I's=-Ns*Is如果激磁電感Lm為常數,激磁電流Im線性增長,并等于原邊電流與反射電流之差:Im=VIN*ton/Lm=Ip-I's=(Ip-Is*Ns)/Np磁化電流在導通時間結束時達到最大,當Trtoff時,副邊感應電勢反向,二級體D2截止.Is=0,ton期間存儲在磁場中的激磁能量ER=(LI2m/2)在toff時應有釋放通路,且須保持與儲能時間相同.因為當正.負伏秒值相同時Im方才等于零,如此,复位時間tr為tr≧VIN*ton/ER≒NR*ton/Np式中NR為消磁繞組圈數.因為NR=Np.則tr≒ton,所以Dmax需低于50%第三節.Forward變壓器設計方法.一.ForwardTransfotmer設計時之考慮因素:1.鐵芯飽和問題.選用飽和磁通密度Bs盡量高,剩余磁通Br盡量低的CORE,使其能承受大的磁場也就是大的電流,實現小體積大功率.2.電壓的準位性.在多路輸出變壓器中,各繞組的伏特秒盡量保證一致,各繞組之電流密度應保持一致,使損耗有相同值.15935108019902/10LiscOct.3.傳輸功率.應考量在額定輸出功率下應留有一定余量,通常功率余量不應小于10%.4.電流容量.有足夠的電流容量,以減小耗損.5.工作頻率.將決定CORE的△B和導線直徑.6.磁化電流Im.應使磁化電流盡可能低,激磁電感盡量大.所以需用高磁導率的CORE.7.損耗PΣ.(PΣ=Pfe+Pcu)a.銅損Pcu包括低頻損耗和高頻損耗,低頻損耗很容易計算,也比較容易解決,通過增大導體截面積減小RDC即可降低損耗.線圈的高頻損耗因涉及渦流損耗.趨膚效應,鄰近效應等問題很難精確確定.Pcu=I2rms*RHF(RHF:高頻時導體的有效阻抗)從上式可見有效電流Irms正比于Pcu,而Irms=Ipp√D.即Pcu正比于D,反比于VIN.在VIN最低時Pcu最大.b.鐵損PFe又包括磁滯損和渦流損.磁滯損正比于頻率和磁感應擺幅△B.渦流損與每匝伏特數和占空度D有關,而与頻率無關.VIN=NpdΦ/dt即VIN/Np=dΦ/dt.可見渦流損耗与磁通變化率成正比.8.溫升.變壓器損耗使得線圈與磁芯溫度升高,溫升又使損耗盡一步增加,.如此惡性循環將導致變壓器損壞.因此,設計時必須限制溫升在一個可接受的範圍.變壓器溫升循環圖如圖2.溫升對CORE之功率損失特性圖參照各廠商之DATABOOK.9.漏電感.在實際變壓器中.因磁通的不完全耦合而產生漏磁通.轉換成漏電感形式存在變壓器中,漏電感Lk之關係式LK=uo*ur*A*N2/ι*10-2上式中:LK:漏電感ι:銅窗之排線寬度(cm)A:兩繞組間之剖面積(cm)ur=1相對磁導率.uo=4π*10-7N:匝數因漏感是一個限制電流Ip通過的阻抗.所以它將影響變壓器的電壓準位特性.同時漏電感所存能量在Troff時將釋放,產生尖峰電壓,造成元件損壞和電磁干擾,采用吸收電路後將使效率降低,因此在設計變壓器時,應於CORE選擇.繞組結構,工藝工法上設法減小漏感.10.分布電容.或稱雜散電容.分布電容的存在在電源轉換過程中,會傳輸繞組間的共模雜訊,增加原副邊的漏電流.在通信變壓器中,雜散電容影響信號的頻率響應.高頻變壓器中的雜散電容包括a.CWtoCORE.b.CWtoW.c.CLayetoLayed.C匝間等.因降低雜散電容与減小漏感相互矛盾.故設計時須根據用途權衡利弊做取舍.15935108019903/10LiscOct.溫度升高ΔT=23.5PΣ/√APorΔt=Rth*PBmax下降Bm=Bs-Brμ下降μ=B/HLm下降Lm=KμN2Im上升Im=(VIN*ton)/LmIp上升Ip=Im+ILoad△B上升,鐵損上升I2R增大,Pcu上升B=μH=μ*(0.4πNI)/Le特性評估PΣ=Pcu+Pfe至CORE達溫升太高而飽和圖2.變壓器溫升循環圖15935108019904/10LiscOct.二.變壓器設計流程:決定CORE材質高Bs,低損耗,低成本決定CORE規格AP=PS*104/(2ΔBfJKu)設計圈數比n=VINDmax/(Vo+Vf)初次級圈數設計Np=VINton/(ΔBAe);Ns=Np/n計算線徑dw=√(4Aw/π)溫升計算Δt=23.5PΣ/√AP決定繞線結構綜合考慮LK,C分布,易制性.特性評估效率,頻寬,電壓準位.EMI.第四節.ForwardTransformer設計實例.一.設計步驟:step0SPEC:VINfsVoIoDη△tPo限制.step1選擇core材質.決定△B.step2計算core之AP值,確定core型號規格.step3計算NpNs.step4計算線徑dw,估算銅窗占有率.step5估算損耗.溫升.step6結構設計.step7樣品制作.step8性能評估(DQ)15935108019905/10LiscOct.三.設計舉例:Step0取得相關規格(SPEC)例:155WPCPowerMAINX'FMR.SPEC:INPUT:AC180~265V50HZOUTPUT:DC+5V-15A+3.3V-12A+12V-4.2Aη≧68%,fs:100KHZ;電路接線圖如圖3.風冷散熱.Step1選擇core材質.決定△B.功率變壓器所用功率鐵芯應選擇高μi.低損.高Bs材料.目前因軟磁鐵氧體具備以上要求而被得以廣泛應用.在此選用TDK之PC40材質.其相關參數:Pcv:410kw/m3@100KHZ正弦波μi:2300±25%Bs:390mTBr:55mT@100℃因Forward電路之磁芯為單向磁化,要使core不飽和,磁芯中磁通密度最大變化量為:ΔB＜Bs-Br.故PC40材之ΔB=390-55=335mT.但實際應用中由於有高溫效應,瞬變情況等引起Bs,Br的變化,使ΔB動態範圍變小而出現飽和,因此,設計時必須留一些安全空間,通常選擇75%(Bs-Br),用以限制飽和,此方法可使Pfe略小於Pcu.ΔB選得過小會使匝數增加,Pcu增大,產品体積變大,但ΔB選得過高,則Pfe將增加.且易飽和.PC40材最高可取ΔB=300MT.此時Pfe稍高,可調節電路導通比ton/Ts(D)來解決鐵損問題.本例選擇75%Bm:ΔB=(390-55)*0.75≒251mT≒0.25T.Step2確定coreAP值.決定core規格型號.AP=AW*Ae=(Ps*104)/(2ΔB*fs*J*Ku)式中AW:core之銅窗面積.(cm2)Ae:core有效截面積.(cm2)Ps:變壓器傳遞視在功率(W)Ps=Po/η+Po(正激式)ΔB:磁感應增量(T)fs:變壓器工作頻率(HZ)J:電流密度(A).根據散熱方式不同可取300~600A/cm2Ku:銅窗占用系數.取0.2.100WMAXTOALT155W15935108019906/10LiscOct.本例選擇:ΔB=0.25Tfs=100*103HZJ=400A/cm2AP=[(155÷0.68+155)*104]/(2*0.25*100*103*400*0.2)=0.96cm4上式中之銅窗占有系數Ku是以0.4AW可用,且原副邊繞組各占用50%而定的.若副邊繞組數過多或占用率超過可用空間的一半時,可適當調大AP值選擇CORE規格.查閱TDKDATABOOK.選用COREERL28PC40．其參數為:AP=1.20cm4Ae=81.4mm2Aw=148mm2Ve=6143mm3AL=2520±25%Pt=228WStep3計算NpNs.(1).計算匝比n=Np/Ns設Dmax=0.35n=Np/Ns=Vi/Vo=[Vin(min)*Dmax]/(Vo+Vf)式中 VIN(min)=180*0.9*√2-20=209VDCVf:二极管正向壓降 n=(209*0.35)/(5+1)=12.1912CHECKDmaxDmax=n(Vo+Vf)/Vin(min)=12(5+1)/209=0.344≒0.34(2).計算NpNp=Vin(min)*ton/(ΔB*Ae)=[209*0.34*(1/100*103)]/(0.25*81.4)=34.935TSton=Dmax*Ts(us)Ae：有效截面積(mm2)Ts=1/fs(us)(3).計算Ns5vNs=Np/n=35÷12=2.92取整為３TS(4).CHECKNp（以Ns驗算Np)Np=Ns*n=3*12=36TS取Np=36TS從電路原理圖可知,本例之3.3V与5V使用同一副邊繞組.+3.3V另加磁放大器調整．故不再計算Ns3.3.(5).計算Ns12VNs12V=[(Vo+Vf)*Np*Ts]/[Vin(min)*ton]=[(12+1)*36*10]/209*3.4=6.5