簡(jiǎn)介

在當(dāng)今眾多的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，反激式拓?fù)涫亲畛Ｓ玫囊环N。盡管很簡(jiǎn)單，但這種變換器設(shè)計(jì)卻賦予很多應(yīng)用巨大的優(yōu)勢(shì)。近年來，很多更新、更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，但反激式變換器設(shè)計(jì)仍然很流行。

這種開關(guān)模式電源變換器在中低功率范圍（約 2W 至 100W）內(nèi)提供了極具競(jìng)爭(zhēng)力的尺寸、成本與效率比。反激式變換器的操作基于耦合電感器，它實(shí)現(xiàn)了電源轉(zhuǎn)換，同時(shí)還可以隔離變換器的輸入和輸出。耦合電感器還支持多個(gè)輸出，這使反激式變換器成為多種應(yīng)用的理想選擇。

反激式變換器操作

反激式變換器的基本組成元件與大多數(shù)其他開關(guān)變換器拓?fù)湎嗤?，唯一的不同是它采用了耦合電感器，它將變換器的輸入與輸出隔離（見圖 1）。

反激式變換器有兩個(gè)信號(hào)半周期： tON?and tOFF,它們以MOSFET的開關(guān)狀態(tài)命名并受其控制。

在tON期間，MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流從輸入端流經(jīng)原邊電感器并對(duì)耦合電感器進(jìn)行線性充電。在tOFF期間, MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，耦合電感器開始通過二極管去磁。來自電感器的電流為輸出電容器充電并為負(fù)載供電。

反激式變換器設(shè)計(jì)及組件選型

設(shè)計(jì)一個(gè)反激式變換器需要做出許多重要的設(shè)計(jì)決策與權(quán)衡。下面我們將介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的反激式變換器設(shè)計(jì)過程中的每個(gè)步驟。圖2顯示了我們將遵循的設(shè)計(jì)流程。

反激式變換器設(shè)計(jì)過程與計(jì)算

步驟1: 設(shè)計(jì)輸入

設(shè)計(jì)輸入或由最終應(yīng)用確定，或由設(shè)計(jì)人員來選擇。這些參數(shù)包括但不限于：輸入和輸出電壓、功率、紋波系數(shù)和操作模式。表1羅列了本文所討論電路的設(shè)計(jì)輸入。

非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)具有較高的穩(wěn)定性和效率，我們?yōu)榇藨?yīng)用選擇了該模式。這意味著該解決方案的紋波系數(shù)為1。

其最大占空比固定為50%，以最大限度地減少應(yīng)力并均衡利用MOSFET和二極管。開關(guān)頻率則選擇為160kHz。

為使計(jì)算更加實(shí)際，變換器的估算效率也被定義。盡管該估值相對(duì)較低（約80%），但卻是低功率反激式變換器的常見效率值。

根據(jù)所有這些輸入，設(shè)計(jì)人員必須選擇滿足所有初始要求的控制器IC。本例采用了MPS的MP6004。MP6004是一款僅支持DCM模式的反激式控制器。它還提供原邊調(diào)節(jié)功能，可減少外部組件的數(shù)量。

步驟2: 最大原邊電感計(jì)算及選擇

第一個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算用于找到最大原邊電感值。有許多不同的設(shè)計(jì)方法可以用于計(jì)算該值，但本例中的變換器始終運(yùn)行在DCM模式，因此我們采用如下的公式 (1)來計(jì)算原邊電感值(LP):

最壞情況發(fā)生在變換器以最小輸入電壓（VIN）和最大占空比（D）且全功率工作時(shí)。將設(shè)計(jì)輸入代入公式（1） ，可以得到最大電感器限值為53μH。

接下來計(jì)算所需的匝數(shù)比 (nS1)。我們?nèi)允褂米钚IN和最大D以得到最壞情況下的值，同時(shí)增加二極管的正向壓降以使計(jì)算更加精確。用等式(2)來估算nS1：

步驟3: MOSFET計(jì)算

下一步是為應(yīng)用選擇合適的MOSFET。為此，我們需要計(jì)算開關(guān)必須承受的最大電流和電壓。首先利用公式 (3) 來計(jì)算最大電壓：

注意， VDS_MAX上增加了20%的安全裕度，以確保變換器的安全運(yùn)行。然后我們利用公式 (4) 來估算最大電流：

查看MP6004控制器規(guī)格，可以知道MOSFET的VDS_MAX?為180V，最大電流為3A。這意味著該控制器IC可以在此應(yīng)用中安全使用。

步驟4: 整流二極管計(jì)算

該步驟用于評(píng)估整流二極管。與MOSFET一樣，其目的是確保整流二極管能夠處理它可能遇到的最大電壓和電流。 首先利用公式（5）來計(jì)算二極管能承受的最大電壓：

通過增加40%的安全裕度，得到最大反向電壓為60.5V。

步驟5: 輸出電容器計(jì)算

我們用一個(gè)估值來確定輸出電容的值，即忽略電路的二階方面，如寄生分量和輸出串?dāng)_。利用公式 (6) 來估算電容的電壓值：

請(qǐng)注意，如果該公式用于tON,則可以大大簡(jiǎn)化。利用公式 (7) 計(jì)算輸出電壓紋波：

接下來，選擇一個(gè)電容值以得出最佳紋波電壓。本例使用了一個(gè)250μF的電容器，其輸出電壓紋波為12.5mV。

步驟6：反激變壓器的設(shè)計(jì)和計(jì)算

下一步是變壓器的設(shè)計(jì)。變壓器選型需要做出許多設(shè)計(jì)決策，例如磁芯材料和磁芯形狀的選擇。每種選擇都有其特定的優(yōu)勢(shì)，在本例中，我們選用了常見的雙E形鐵氧體磁芯（見圖3）。

用于計(jì)算變壓器面積的方法稱為AP法。它將變壓器的總面積定義為繞組窗口面積與磁芯橫截面面積的乘積，所有變壓器的磁通量都匯集于這些位置（見圖 4）。

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