精通反激电源变压器设计2-精通反激电源设计的关键---反激电源变压器2A

各位大家好 我是

我们现在开始要讲

精通反激电源设计的关键

反激电源的设计最关键的就是

在于开关电源的变压器

为什么最关键的是反激电源的变压器呢

我们从这个电路上简单可以看到

黄颜色的部分是简单的反激电源变压器

原边有主绕组 辅助绕组 有输出绕组三部分

一般的反激电源还会有很多的输出绕组

比如有 +5V ±12V等等

为什么讲反激电源变压器的设计

是反激电源设计里面最关键的呢

从这个右边这部分的

变压器设计输出都可以看到

反激电源变压器我们的设计计算最终的目的

我们是想得到什么呢

想得到这几个方面

第一个是原边和副边的电流的波形

第二个是原边和副边的电压的波形或者电压幅值

除此之外

我们掌握了电压电流输入输出的关系以外

还想知道我们选择磁芯是不是饱和了

是不是磁通密度不是很高

或者说磁通 ΔB 不是很高

也就是说我们磁芯的损耗是多少

除此之外因为我们知道了电流波形

那么我们也可以算出 这个反激电源的

原边和副边分别的电流密度

由此来表征温升到底高还是不高

那么也就是下面讲的变压器的损耗可以算出来

那么变压器的温升大致得能推算出来

除此之外 其实还有两个非常重要的因素

一个就是耦合系数

还有就是绕组 EMI 相关的耦合性

耦合系数我们可以这么去理解

我们假设原边主绕组和副边主绕组

两个耦合度不好

那不好会产生什么变化

不好实际上是从原边看进去主绕组

除了励磁电感以外还有一个漏感

那么也就是在场效应管 Q1 关闭的一瞬间

电流达到最大

那么这个电流自然除了通过励磁电感以外

也通过了漏感

也就是在漏感里面建立了能量

这部分能量在 Q1 关闭之后

励磁电感建立起来储存的能量

这部分会通过副边电感释放出去

也就是等于形成了输出电流

原边漏感形成的能量跟副边没有关系

所以都会在原边的回路里面转圈 这个电流

那么实际上就是给 C5 充电

最终形成一个 C5 的电压

C5 越大 漏感越大 C5 形成之后

可能会变高 取决于 R1

这个 R1 如果阻值太高了

那么它这个能量不容易消耗掉

那么这一点 C5 的电压嵌位就会变得更高

那么很容易产生 VDS 这个电压的尖刺会很高

所以控制变压器原副边的耦合系数

就是耦合度越好 那么原边看进去漏感越小

也就是这个能量越小

所以越接近于理想的状态

那么这部分吸收的能量会越少

所以这是我们非常希望得到的

还有一方面就是

虽然这边画了一个副边的线圈

实际上电源有两个有三个有好几个的副边线圈

副边的线圈比如 5V 和 ±12V

可能有的工程师会知道

我把 5V 也就是假设电流作为主绕组

我把功率一拉大

你就会发现 12V 也好 -12V 也好

或者其它绕组电压会往上升

总之就是这两个耦合系数不好的话

副边之间的耦合系数不好的话

会形成很差的电压调整率

这也是我们所不希望的

所以我们在设计反激电源变压器计算之后

实际上我们排线或者说控制方面

这是非常重要的一个因素

还有一个就是 EMI 相关

那么一会儿我会来讲 EMI 相关是怎么相关法

跟我们耦合的关系

得到了变压器的设计输出量

实际上我们仅仅看到的是变压器本身

其实我刚才前面讲过

我说我们通过一个变压器的设计

我们其实还要得到

比如说我们输入的电容到底选取什么

这个管子的耐压和电流到底设定在什么范围

包括输出的二极管 D3 耐压和电流

还有 C7 这个电容怎么选取容量

够不够等等 纹波够不够等等

都是从这里头能够推导出来的

这也就是说左边看变压器设计的关键性

在哪里呢

除了变压器本身电参数以外

实际上通过电流我们可以求得

原副边器件选取合理化

也就是我们知道它的电流波形也就知道

选取多大的管子会比较好

或者耐压多少伏为好

这也就为我们主电路器件的降额设计

提供了依据

比如工作在多少的降额之内

那么 EMC 的控制和优化

这个也会以后会讲

还有就是电源的效率

比如我们变压器的损耗是多少

如果虽然变压器损耗不大

但是我们把电流搞得很高电压很高

那引起开关损耗也很厉害

这个都是跟它相关的

那么当然

刚才讲的多路输出的调整率的改善等等

这中还有一个成本的控制

因为我们都非常关心成本

所以说合理地去设定电流的波形

和电压的波形

对我们选取比较有利的量产性

就是我们采购得非常方便

而且使用规模非常大

而且这个器件比较便宜

或者是效率会比较高的器件

我们就会有的放矢的去选择

这个成本的控制还有量产的一致性等等

都会带来很多的好处

所以说我们通过一个变压器的设计

变压器的优化和调整

我们可以把原副边的状态建立到最佳状态

是一个你非常希望的状态

那么某种意义上来讲

可以说我们这一个反激电源变压器的设计

就是一个牵一发动全身

那么所有的要素

那么所有的要素

都集中在这个反激电源变压器上了

那么所以我讲

我们反激电源的设计

最关键就在于这个变压器设计

变压器设计其实我们有很多结果

比如说可以选的电容量大一点

也可以小一点

匝数 变比都可以调整

都是能用的 并不是不能用

但是能用对整体电路的平衡可能不是最优化的

那么我们这个培训里头

其实我们后面就会讲到怎么去做才能最优化

讲到这里 我想还要补充几个方面的内容

一个就是刚才看到的这个画面

就是我们这边左上角这一块

实际上就是一个简单的反激电源的模型

我们不管它工作在 CCM 模式也好

DCM 模式也好

底下我只是拿这一个例子

一个连续模型的一个波形作为来举例

我们看到右边这个图

这个图实际上就是比如说

原边的场效应管的电流波形

就是这一部分相当于一个梯形波电流波形

这一部分就是关闭的时候电流波形

这个副边是电流就是斜着往下降这样的过程

我们从这一个几何图形

我们可以看到有这么一些关系

我们按照我们直流分量的定义

或者平均值的定义

平均值就是得到了一个直流分量

有效值我们也可以用定义用积分的方式

把它求起来求它的有效值

那么就是说如果假定这个几何波形

有占空比 有 IP1 就是第一个点的电流值

第二个点电流值

那么它实际上有个变化是 ΔI

这样一个周期性电流波形

这样一个周期性电流波形

我们从几何定义角度

我们可以得到 IDC 等于这么一个公式

IAC 是交流成分这个公式

I 是一个有效值

其实从这个几何波形

我们学过高等数学

那么我们做它的平均值的时候

定义这就是 IDC

有效值就是 I

知道了 I 和 IDC

其实我们交流分量

就是按照上面这个公式是有效值的平方等于

直流分量的平方加上交流分量的平方

那自然就可以求出交流分量

各位大家好 我是

我们现在开始要讲

精通反激电源设计的关键

反激电源的设计最关键的就是

在于开关电源的变压器

为什么最关键的是反激电源的变压器呢

我们从这个电路上简单可以看到

黄颜色的部分是简单的反激电源变压器

原边有主绕组 辅助绕组 有输出绕组三部分

一般的反激电源还会有很多的输出绕组

比如有 +5V ±12V等等

为什么讲反激电源变压器的设计

是反激电源设计里面最关键的呢

从这个右边这部分的

变压器设计输出都可以看到

反激电源变压器我们的设计计算最终的目的

我们是想得到什么呢

想得到这几个方面

第一个是原边和副边的电流的波形

第二个是原边和副边的电压的波形或者电压幅值

除此之外

我们掌握了电压电流输入输出的关系以外

还想知道我们选择磁芯是不是饱和了

是不是磁通密度不是很高

或者说磁通 ΔB 不是很高

也就是说我们磁芯的损耗是多少

除此之外因为我们知道了电流波形

那么我们也可以算出 这个反激电源的

原边和副边分别的电流密度

由此来表征温升到底高还是不高

那么也就是下面讲的变压器的损耗可以算出来

那么变压器的温升大致得能推算出来

除此之外 其实还有两个非常重要的因素

一个就是耦合系数

还有就是绕组 EMI 相关的耦合性

耦合系数我们可以这么去理解

我们假设原边主绕组和副边主绕组

两个耦合度不好

那不好会产生什么变化

不好实际上是从原边看进去主绕组

除了励磁电感以外还有一个漏感

那么也就是在场效应管 Q1 关闭的一瞬间

电流达到最大

那么这个电流自然除了通过励磁电感以外

也通过了漏感

也就是在漏感里面建立了能量

这部分能量在 Q1 关闭之后

励磁电感建立起来储存的能量

这部分会通过副边电感释放出去

也就是等于形成了输出电流

原边漏感形成的能量跟副边没有关系

所以都会在原边的回路里面转圈 这个电流

那么实际上就是给 C5 充电

最终形成一个 C5 的电压

C5 越大 漏感越大 C5 形成之后

可能会变高 取决于 R1

这个 R1 如果阻值太高了

那么它这个能量不容易消耗掉

那么这一点 C5 的电压嵌位就会变得更高

那么很容易产生 VDS 这个电压的尖刺会很高

所以控制变压器原副边的耦合系数

就是耦合度越好 那么原边看进去漏感越小

也就是这个能量越小

所以越接近于理想的状态

那么这部分吸收的能量会越少

所以这是我们非常希望得到的

还有一方面就是

虽然这边画了一个副边的线圈

实际上电源有两个有三个有好几个的副边线圈

副边的线圈比如 5V 和 ±12V

可能有的工程师会知道

我把 5V 也就是假设电流作为主绕组

我把功率一拉大

你就会发现 12V 也好 -12V 也好

或者其它绕组电压会往上升

总之就是这两个耦合系数不好的话

副边之间的耦合系数不好的话

会形成很差的电压调整率

这也是我们所不希望的

所以我们在设计反激电源变压器计算之后

实际上我们排线或者说控制方面

这是非常重要的一个因素

还有一个就是 EMI 相关

那么一会儿我会来讲 EMI 相关是怎么相关法

跟我们耦合的关系

得到了变压器的设计输出量

实际上我们仅仅看到的是变压器本身

其实我刚才前面讲过

我说我们通过一个变压器的设计

我们其实还要得到

比如说我们输入的电容到底选取什么

这个管子的耐压和电流到底设定在什么范围

包括输出的二极管 D3 耐压和电流

还有 C7 这个电容怎么选取容量

够不够等等 纹波够不够等等

都是从这里头能够推导出来的

这也就是说左边看变压器设计的关键性

在哪里呢

除了变压器本身电参数以外

实际上通过电流我们可以求得

原副边器件选取合理化

也就是我们知道它的电流波形也就知道

选取多大的管子会比较好

或者耐压多少伏为好

这也就为我们主电路器件的降额设计

提供了依据

比如工作在多少的降额之内

那么 EMC 的控制和优化

这个也会以后会讲

还有就是电源的效率

比如我们变压器的损耗是多少

如果虽然变压器损耗不大

但是我们把电流搞得很高电压很高

那引起开关损耗也很厉害

这个都是跟它相关的

那么当然

刚才讲的多路输出的调整率的改善等等

这中还有一个成本的控制

因为我们都非常关心成本

所以说合理地去设定电流的波形

和电压的波形

对我们选取比较有利的量产性

就是我们采购得非常方便

而且使用规模非常大

而且这个器件比较便宜

或者是效率会比较高的器件

我们就会有的放矢的去选择

这个成本的控制还有量产的一致性等等

都会带来很多的好处

所以说我们通过一个变压器的设计

变压器的优化和调整

我们可以把原副边的状态建立到最佳状态

是一个你非常希望的状态

那么某种意义上来讲

可以说我们这一个反激电源变压器的设计

就是一个牵一发动全身

那么所有的要素

那么所有的要素

都集中在这个反激电源变压器上了

那么所以我讲

我们反激电源的设计

最关键就在于这个变压器设计

变压器设计其实我们有很多结果

比如说可以选的电容量大一点

也可以小一点

匝数 变比都可以调整

都是能用的 并不是不能用

但是能用对整体电路的平衡可能不是最优化的

那么我们这个培训里头

其实我们后面就会讲到怎么去做才能最优化

讲到这里 我想还要补充几个方面的内容

一个就是刚才看到的这个画面

就是我们这边左上角这一块

实际上就是一个简单的反激电源的模型

我们不管它工作在 CCM 模式也好

DCM 模式也好

底下我只是拿这一个例子

一个连续模型的一个波形作为来举例

我们看到右边这个图

这个图实际上就是比如说

原边的场效应管的电流波形

就是这一部分相当于一个梯形波电流波形

这一部分就是关闭的时候电流波形

这个副边是电流就是斜着往下降这样的过程

我们从这一个几何图形

我们可以看到有这么一些关系

我们按照我们直流分量的定义

或者平均值的定义

平均值就是得到了一个直流分量

有效值我们也可以用定义用积分的方式

把它求起来求它的有效值

那么就是说如果假定这个几何波形

有占空比 有 IP1 就是第一个点的电流值

第二个点电流值

那么它实际上有个变化是 ΔI

这样一个周期性电流波形

这样一个周期性电流波形

我们从几何定义角度

我们可以得到 IDC 等于这么一个公式

IAC 是交流成分这个公式

I 是一个有效值

其实从这个几何波形

我们学过高等数学

那么我们做它的平均值的时候

定义这就是 IDC

有效值就是 I

知道了 I 和 IDC

其实我们交流分量

就是按照上面这个公式是有效值的平方等于

直流分量的平方加上交流分量的平方

那自然就可以求出交流分量