一種原邊反饋反激變壓器的設(shè)計(jì)

劉帥剛 聶彥

【摘 要】論述了原邊反饋反激變換器相比于傳統(tǒng)反激變換器的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)原邊反饋技術(shù)在消費(fèi)者電子充電器領(lǐng)域的應(yīng)用，推導(dǎo)了一種斷續(xù)電流模式（DCM）下，準(zhǔn)諧振谷底開通原邊反饋反激變壓器關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，有利于原邊反饋反激變壓器的快速設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】原邊反饋 斷續(xù)電流模式 變壓器

反激式變換器以電路簡(jiǎn)單，成本低廉以及效率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中小功率的開關(guān)電源中[1]。在消費(fèi)者電子充電器的應(yīng)用領(lǐng)域，空間、成本是必須考慮的問題。傳統(tǒng)的反激式變換器，需要TL431、PC817這樣的反饋回路來控制輸出電壓的高低，而PC817的壽命問題，降低了變換器的可靠性；原邊反饋反激變換器通過檢測(cè)輔助繞組上的電壓控制輸出電壓，省去TL431、PC817，不僅提高了可靠性，節(jié)省了空間、成本[2]，而且通過PWM+PFM調(diào)制方式，使變換器在輕載下工作在低頻狀態(tài)，降低了輕載的功率損耗，因此在消費(fèi)電子的充電器領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

變壓器的設(shè)計(jì)關(guān)乎原邊反饋芯片電壓拐點(diǎn)的采樣，直接影響電路是否能正常工作，是原邊反饋反激變換器設(shè)計(jì)中最重要的部分。本文針對(duì)DCM模式，詳細(xì)推導(dǎo)了原邊反饋反激變壓器的設(shè)計(jì)方法，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。

1原邊反饋反激變換器的原理

原邊反饋反激變換器原理圖1所示，Lp是原邊電感，Llk是原邊的漏感，Cp是開關(guān)管的寄生電容；驅(qū)動(dòng)、二極管D1和輔助繞組波形圖2所示，Vg是開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓，ID是流過整流管D1的電流，Vaux是輔助繞組的電壓。電路結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)反激式變換器一樣，區(qū)別在于對(duì)輸出電壓的采樣方式不同：傳統(tǒng)反激是從副邊輸出電壓采樣，通過穩(wěn)壓器、光電耦合器控制芯片占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓；原邊反饋反激是檢測(cè)輔助繞組的電壓拐點(diǎn)，通過電阻分壓來控制芯片的占空比和頻率，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖2是DCM模式下變換器的波形，Ton階段：開關(guān)管導(dǎo)通，原邊電感激磁，二極管D1、D2截止，變壓器原邊電感及漏感儲(chǔ)能；Tdem階段：開關(guān)管截止，漏感儲(chǔ)存的能量通過和Cp諧振釋放，二極管D1導(dǎo)通，變壓器原邊復(fù)位，同時(shí)二極管D2導(dǎo)通，為芯片供電。t2時(shí)刻復(fù)位結(jié)束，芯片通過采集此時(shí)的拐點(diǎn)電壓，來反映輸出電壓的變化，通過芯片調(diào)節(jié)占空比、頻率實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓；Tr階段：開關(guān)管截止，二極管D1截止，原邊電感和Cp諧振，由芯片檢測(cè)，控制在谷底使開關(guān)管導(dǎo)通，降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。

2 變壓器的設(shè)計(jì)

DCM模式，原邊反饋控制芯片，有CC（恒流）/CV（恒壓）兩種控制方式，CC控制方式下變壓器原邊復(fù)位時(shí)間和周期的比值是定值，實(shí)現(xiàn)恒流輸出；CV控制方式下輸出電壓調(diào)節(jié)只需改變f的大小。變壓器在最大占空比處更容易進(jìn)入飽和狀態(tài)，所以應(yīng)該在最大占空比處設(shè)計(jì)變壓器的各項(xiàng)參數(shù)。原邊感量和安匝數(shù)的大小，影響電路最大工作頻率，是原邊反饋?zhàn)儔浩髟O(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

（1）原邊感量的確定：

式中 為導(dǎo)通占空比，

為原邊復(fù)位時(shí)間與周期的比值，

（N為奇數(shù)）為諧振時(shí)間與周期的比值，

得：

（2）原副邊匝比：

式中Vf是二極管D1的壓降，通常為0.5-0.7V。

（3）原邊最大峰值電流：

（4）磁芯的選擇：

磁芯的材料有硅鋼片、非晶合金、磁粉芯、鐵氧體等，在開關(guān)電源中應(yīng)用最多的就是鐵氧體，鐵氧體又主要包括錳鋅和鎳鋅鐵氧體，前者主要應(yīng)用在1MHz以下，后者適合用在1MHz以上[3]，本文磁芯材料選擇錳鋅鐵氧體。常用磁芯尺寸的選擇方法有AP法、幾何參數(shù)法。AP法計(jì)算嚴(yán)謹(jǐn)，理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際值契合度高，利于實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，有更好的指導(dǎo)意義，所以本文選用AP法來選擇變壓器的磁芯。

由

得

式中Wa為窗口面積；

Ae為有效磁路截面積；

K為窗口系數(shù)，一般取0.2-0.4；

Bm為最大磁通密度，一般取（0.2-0.3）T；

J為繞組電流密度，一般?。?-10）A/mm2。

根據(jù)求得的AP值選擇合適的磁芯，盡量選擇窗口長(zhǎng)寬比比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口利用系數(shù)大，同時(shí)可以減小漏感。

（5）原副邊匝數(shù)：

輔助繞組匝數(shù)：

式中Aeo為實(shí)際選擇磁芯的有效磁路截面積，V1為芯片工作電壓，Vf1為二極管D2的壓降。

（6）氣隙：反激變壓器一定要加入氣隙，這樣變壓器才不容易飽和[4]。

（7）漏感的抑制

對(duì)原邊反饋反激變換器，漏感的諧振不僅增大開關(guān)管電壓應(yīng)力，降低變換器效率，而且可能會(huì)引起拐點(diǎn)電壓檢測(cè)錯(cuò)誤，使電路不能正常工作，引起芯片的誤操作。所以抑制漏感的影響在原邊反饋反激變換器中同樣重要。主要從兩個(gè)方面解決，一是減小變壓器的繞制漏感，主要采用三明治繞法、Z型繞線方法；二是在變壓器原邊增加吸收電路，可用RCD吸收電路。原邊反饋是通過檢測(cè)輔助繞組上的電壓來反映輸出電壓的變化，所以同時(shí)要保證副邊和輔助繞組高的耦合度。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

原邊反饋?zhàn)儞Q器最大工作頻率由芯片限定，所以最大工作頻率的選擇要依據(jù)芯片允許的最大頻率來確定，設(shè)計(jì)時(shí)必須先選定芯片。本文采用UCC28700芯片，<30mW無負(fù)載功耗，芯片最大工作頻率130KHz，CC模式下Ddem=0.425[5]。

輸入電壓（V）： 85—265（單相交流）

輸出電壓（電流）： 5V（1.2A）

工作效率（%）： 90

輸入電源頻率（Hz）： 50

最大開關(guān)頻率（KHz）： 120

表1是計(jì)算出的變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)，按照參數(shù)繞制變壓器，測(cè)得輔助繞組、取樣電阻Rs的波形如圖3所示。圖3是滿載下的波形，此時(shí)開關(guān)管是在第二個(gè)谷底附近導(dǎo)通，工作效率87.3%，頻率118KHz，電路中的損耗沒達(dá)到要求，還需要進(jìn)一步降低，整體基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。表明文中變壓器的設(shè)計(jì)方法符合實(shí)際情況，可以較好的指導(dǎo)原邊反饋反激變壓器的設(shè)計(jì)，有實(shí)用價(jià)值。

圖3 輔助繞組和取樣電阻Rs的波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文從原理出發(fā)，推導(dǎo)了原邊反饋反激變壓器關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，通過設(shè)計(jì)實(shí)例，驗(yàn)證了此方法有較好的實(shí)用性，可以用在消費(fèi)電子充電器設(shè)計(jì)中，為快速設(shè)計(jì)原邊反饋反激變壓器提供了指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]邱建平，林玲，何樂年.反激式開關(guān)電源控制芯片中的高精度原邊反饋技術(shù)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2013，01：403-407.

[3]周潔敏，趙修科，陶思鈺.開關(guān)電源磁性元件理論與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天出版社，2014（1）：70-96.

[4]張忠仕，汪偉，陳文 等.開關(guān)電源變壓器磁芯氣隙量的計(jì)算[J].磁性材料及器件，2008，39（1）：53-56.

[5]Texas Instruments. UCC2870x Constant-Voltage， Constant-Current Controller with Primary-Side.Regulation[EB/OL].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28700.pdf：1-10，2012，2015-09-28.

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