开关电源的设计是一份非常耗时费力的苦差事,需要不断地修正多个设计变量,直到性能达到设计目标为止。本文step-by-step介绍反激变换器的设计步骤,并以一个6.5W隔离双路输出的反激变换器设计为例,主控芯片采用NCP1015。
基本的反激变换器原理图如图1所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率(1W~60W)开关电源应用场合,反激变换器(Flyback Converter)是最常用的一种拓扑结构(Topology)。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点。
接下来,参考图2所示的设计步骤,一步一步设计反激变换器
设计反激变换器步骤Step1:初始化系统参数
------输入电压范围:Vinmin_AC及Vinmax_AC
------电网频率:fline(国内为50Hz)
------输出功率:(等于各路输出功率之和)
------初步估计变换器效率:η(低压输出时,η取0.7~0.75,高压输出时,η取0.8~0.85)根据预估效率,估算输入功率:
对多路输出,定义KL(n)为第n路输出功率与输出总功率的比值:
单路输出时,KL(n)=1.
2. Step2:确定输入电容Cbulk
Cbulk的取值与输入功率有关,通常,对于宽输入电压(85~265VAC),取2~3μF/W;对窄范围输入电压(176~265VAC),取1μF/W即可,电容充电占空比Dch一般取0.2即可。
一般在整流后的最小电压Vinmin_DC处设计反激变换器,可由Cbulk计算Vinmin_DC:
3. Step3:确定最大占空比Dmax
反激变换器有两种运行模式:电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)。两种模式各有优缺点,相对而言,DCM模式具有更好的开关特性,次级整流二极管零电流关断,因此不存在CCM模式的二极管反向恢复的问题。此外,同功率等级下,由于DCM模式的变压器比CCM模式存储的能量少,故DCM模式的变压器尺寸更小。但是,相比较CCM模式而言,DCM模式使得初级电流的RMS增大,这将会增大MOS管的导通损耗,同时会增加次级输出电容的电流应力。因此,CCM模式常被推荐使用在低压大电流输出的场合,DCM模式常被推荐使用在高压 小电流输出的场合。
(图4反激变换器)
对CCM模式反激变换器而言,输入到输出的电压增益仅仅由占空比决定。而DCM模式反激变换器,输入到输出的电压增益是由占空比和负载条件同时决定的,这使得DCM模式的电路设计变得更复杂。但是,如果我们在DCM模式与CCM模式的临界处(BCM模式)、输入电压最低(Vinmin_DC)、满载条件下,设计DCM模式反激变换器,就可以使问题变得简单化。于是,无论反激变换器工作于CCM模式,还是DCM模式,我们都可以按照CCM模式进行设计。
如图4(b)所示,MOS管关断时,输入电压Vin与次级反射电压nVo共同叠加在MOS的DS两端。最大占空比Dmax确定后,反射电压Vor(即nVo)、次级整流二极管承受的最大电压VD以及MOS管承受的最大电压Vdsmax,可由下式得到:
通过公式(5)(6)(7),可知,Dmax取值越小,Vor越小,进而MOS管的应力越小,然而,次级整流管的电压应力却增大。因此,我们应当在保证MOS管的足够裕量的条件下,尽可能增大Dmax,来降低次级整流管的电压应力。Dmax的取值,应当保证Vdsmax不超过MOS管耐压等级的80%;同时,对于峰值电流模式控制的反激变换器,CCM模式条件下,当占空比超过0.5时,会发生次谐波震荡。综合考虑,对于耐压值为700V(NCP1015)的MOS管,设计中,Dmax不超过0.45为宜。
4. Step4:确定变压器初级电感Lm
对于CCM模式反激,当输入电压变化时,变换器可能会从CCM模式过渡到DCM模式,对于两种模式,均在最恶劣条件下(最低输入电压、满载)设计变压器的初级电感Lm。由下式决定:
其中,fsw为反激变换器的工作频率,KRF为电流纹波系数,其定义如下图所示:
对于DCM模式变换器,设计时KRF=1。对于CCM模式变换器,KRF<1,此时,KRF的取值会影响到初级电流的均方根值(RMS),KRF越小,RMS越小,MOS管的损耗就会越小,然而过小的KRF会增大变压器的体积,设计时需要反复衡量。一般而言,设计CCM模式的反激变换器,宽压输入时(90~265VAC),KRF取0.25~0.5;窄压输入时(176~265VAC),KRF取0.4~0.8即可。
一旦Lm确定,流过MOS管的电流峰值Idspeak和均方根值Idsrms亦随之确定:
其中:
设计中,需保证Idspeak不超过选用MOS管最大电流值80%,Idsrms用来计算MOS管的导通损耗Pcond,Rdson为MOS管的导通电阻。
5.Step5:选择合适的磁芯以及变压器初级电感的匝数
开关电源设计中,铁氧体磁芯是应用最广泛的一种磁芯,可被加工成多种形状,以满足不同的应用需求,如多路输出、物理高度、优化成本等。
实际设计中,由于充满太多的变数,磁芯的选择并没有非常严格的限制,可选择的余地很大。其中一种选型方式是,我们可以参看磁芯供应商给出的选型手册进行选型。如果没有合适的参照,可参考下表:
选定磁芯后,通过其Datasheet查找Ae值,及磁化曲线,确定磁通摆幅△B,次级线圈匝数由下式确定:
其中,DCM模式时,△B取0.2~0.26T;CCM时,△B取0.12~0.18T。