精通反激电源变压器设计3-反激电源变压器计算方法(3)---CCM模式

我们再看到

有这么个关系

我们电感是定义出来的

电感是怎么个定义呢

我们就认为一个线圈里面就是这个磁通

对电流的变化关系

也就是我一个线圈绕好了对吧

我加一点小电流 比如说我某个电流加上去

稍微抖动一下

这时候会因为我抖动这个变化的电流

它就会变化了一个 φ 也就是个磁通量

变化了一下

如果变化的一个电流磁通量不变化都是很大的

都在某一个地方固定的

那说明磁芯饱和掉了

所以说呢 定义是 Δφ/Δi 就是一圈的电感量

这是定义

电感就这么定义出来了

N 圈就是有 N 倍电感量

所以这个公式 L=Nφ/I

这实际上是一个电感的定义

这个没有什么太多道理

就电感就这么规定出来的

所以这个一定要记住

这是它的来源

规定了这个电感

我们前面有一个 φ 是什么呢

我们讲激励源 有欧姆定律

激励源除以电阻

就等于 φ 就是磁通量 这一部分就是 φ

这部分 φ 呢

我们再把它看到这个两个电流是一样的

把它约掉了

那么就是 N 平方 乘 1/R

就得到那么个关系

N 平方假设为 1 的话 N 是 1 匝的情况下

那电感就是 1/R

那我们把 1/R 定义成 AL 值

所以一个磁芯 哪怕是开了气隙或者不开气隙

告诉你 AL 值是多少

它是跟我们绕线没有任何关系的

磁芯材料决定了 磁芯的大小决定了

形状决定了 AL 值就固定了

实际上是什么

最后我们发现 AL 值就是这个东西

就是说磁阻的倒数

这个磁芯转一圈的时候

这个磁阻把它翻过来倒过来就是

一匝的电感量

所以这个非常有意思

我希望大家能够理解并且把它记下来

你所有的思路都是从这里搞的

那么我既然知道了

我们知道了这一块电感量是这么关系

只要给你一个固定的磁芯

告诉你多少匝你就知道了电感量是多少了

至于饱不饱和我们看下面

磁通密度是 φ 除以面积

所以说 φ 就是激励源除以磁阻这是个面积

那么激励源 这是激励源

然后我们把这个变过来

1/R 就等于 AL

那就形成这么一个关系

那么放到这边来

这边跟这个有什么关系

我两边都乘上要给 Np 匝数

那么我就得到了一个什么关系呢

就等于 Ip·Lp / Np· Ae

磁芯的磁通密度就等于

这个时候流过这个线圈的电流乘上电感量

除以它的匝数和它的有效面积

这个纯粹是我们从这个定义推出来的

这是这个关系

你会发现这个磁通密度跟谁有关系

跟原边的电流那一时刻的电流

还有它的电感量

还有参数 面积

前面我们已经算过了

这一时刻就是 ON 一瞬间时刻的

电流为 IDS1 那这个地方的 Ip

就是 IDS1 了 L是不变的

我们假设没饱和 它就不会变

匝数我们已经固定好了

面积也是固定的

所以说我们得到了这么个关系

就是说在开通的时候的 B 这么多

关断的时候电流最大所以 B 也是最大的

Bmax=IDS2Lp/NpAe

我们算出来就是在某一时刻的时候

只要知道这一个关闭之前的这个最大电流

我们就知道了它饱不饱和

同样呢这两个相减

这个这个排版有点问题了

DS是小写的就是

ΔI 乘上电感量除以 Np 和 Ae

那么就是等于得到了 ΔB

到现在为止我们是固定频率的

CCM 假设是固定频率的时候

我们占空比就固定了

占空比就算出来了

占空比有了 频率也有了

所以说到现在为止

我们所有的关系呢

就是我们一个变压器要用的

所有电气参数都出来了

让我们总结下

那这幅图呢这个思路 我先跟大家讲一下

这个思路是什么呢

假设我已经做了一个反击电源给你了

那么它工作在 CCM 的模式上

就是给你肯定是 CCM 模式

那么这个时候呢我要验证

这个变压器绕的对不对

参数合不合乎要求

你的磁场 Bmax 是不是太高了

或者是合理

那么 ΔB 大小 选的线圈的粗细等等

就相当于验证这个点

那么既然是这样

那么右边蓝颜色的东西全部是已知量

也就假设工作在 70k 的频率

或者是 130k 100k 的频率

这频率是我们知道的

输入输出的电压和电流都是我们的目标

比如 24V 3A

输入电压当然知道了

交流电进去整流之后就是输入电压

给你一个磁芯固定了

那么有效截面积 Ae 窗口面积

AL 值也就是它的磁阻的倒数

单位体积的损耗是一个曲线

磁芯厂家会给我们

然后这个尺寸给你了热值我也知道

就是大概发热多少

空气里面散热出去多少度等等这些都知道

这个 BB 是表示骨架

就是给你绕线的空间有多少

实际上也给你固定的

因为它有个绝缘关系

那么这些都是已知量

VDSS已知 现在我就想用 600V 的

那我就是 600

VRM 什么意思

就是整流二极管副边的整流二极管

选的 150V 或者是 50V 80V 的当然没有 80V

50V 还是 90V 的肖特基

还是 200V 的快恢复等等

这个是我自己选的

所以我知道

De-rating 我们降额的使用率

就刚才讲的 比如场效应管比如我按九成工作

二极管也是九成或者八成

那么这是规定的当然知道

Spike 是不知道的 假定是 50V

刚才讲的吧

那么当然我要假定 50V

算完之后

我要把它凑到 50V 以下就合理了

这些条件都知道了之后

那么我们就可以验证变压器合不合理了

变压器怎么去验证呢

假定变压器测了以下刚好是 500uH

其实 500uH 不一定是最合理的

假设我测一下是 500uH

假设我测一下是 500uH

那我 500uH 知道了 给你磁芯

一圈的电感量是知道的 AL 值知道了

那么这样的话自然知道原边要绕多少圈

其实可能供应商给你的这个变压器

没告诉你多少圈

但是只要知道这个磁芯

一个空磁芯拿过来测下单匝的电感量

然后算一下就知道这个 Np 是多少了

按照我刚才讲的这些输出的关系

匝数可以这么算

按原副边的变比从输入输出关系可以算出来

还有场效应管的耐压等等可以算出来

所以原边的匝数和副边的匝数都知道了

也就是说只要告诉你这个电感量

原副边匝数都知道了

否则 Np/Ns 就不合理

如果合理的话这个都是定下来的

那么同样从这个地方也是一样

就是我们输入输出电压知道了

占空比就自然知道了

频率知道了 Ton Toff 都知道

通过这些关系

电感量知道了

ΔI 也就知道了

通过这个等等推出来 ΔB

因为面积知道了 ΔI 知道了

那么 ΔB 就知道了

这个就是刚才讲的算出的电流波形

原边的 I1 I2

反过来通过变比

副边的二极管 D1 D2 也都可以算出来

那么通过这些关系我们就可以确定

Bmax 是多少

我们如果想 Pcv 的 Pc40

Bmax 高温的时候我们允许 390 毫特

你算出来这个 400 毫特

那肯定饱和不能用

那最好是 390 毫特以下 留一些裕量

那么 ΔB 是干什么呢

ΔB 是看磁芯损耗

因为 ΔB 如果知道了

频率是自己定的

单位体积的损耗查表就查到了

查到之后乘以体积就是磁芯的发热

所以这个发热你一算

这么个小变压器要 3W

那肯定不行

那我们调整参数 电感量

那么最终变成 0.3W

小变压器 0.3W 还可以的

实际上是给大家这么一个验证方法

底下这个是什么呢

因为我们已经知道了原边副边电流波形了

知道电流波形自然算出有效值

交流分量 直流分量都算得出来

给了骨架指数就意味着绕线空间确定了

所以选某一个粗细的线

刚才匝数知道了

排下去的时候只能排这么粗的线

排了这么多的线算面积

有了面积有了有效值

电流密度就知道了

如果你算电流密度是 1 平方毫米要

跑 20A 那肯定会冒烟 肯定不对

一般是 3A 或者 5A

这个是选择多大的尺寸有关系

也就是说在这个图上

给大家验证什么呢

通过已经拿到的变压器

告诉你电感量 变比我们确定

按照这个变比 这些参数

你就可以得到这些参数

最终来检查磁芯是不是过热了

检查磁芯是不是会饱和

检查原边的电流密度是不是太高

太高就会发热

副边的电流密度是不是太高

如果都比较合理

那你这个设计就蛮好

从这个意义上来讲

当然这仅仅是变压器

如果说我们变压器蛮好

但是如果 IDS2 非常高

管子根本受不了也是不对的

所以我们还要调整兼顾原边副边的

其它原件参数

总之对变压器来讲

就看这四个方面

其实底下两个方面最好是算上原边的损耗

和副边的线圈损耗

但由于反激电源有气隙 有漏磁

所以涡流损耗是非常难算的

所以一般来讲控制线的粗细

拿电流密度来算可能会比较好一点

算涡流损耗毕竟非常难算

用这个比较直观地告诉你

大概你这个发热厉不厉害

当然有经验了比如选一个 PQ35 磁芯

那你的电流密度

我以前用过的大概是 3A

我觉得这个温度是大概这个地方散出去的

你要是 5A 就散不出去

所以你通过这个可以反过来

去修正你设计的范围

讲到这呢

实际上我们 CCM 的模式

整个的设计思路计算思路

基本上就是这些就确定了

当然有了这些参数之后我们还要兼顾

电源的前后的一些总电路参数是不是

合理和匹配

这一讲我们就讲到这

谢谢大家

我们再看到

有这么个关系

我们电感是定义出来的

电感是怎么个定义呢

我们就认为一个线圈里面就是这个磁通

对电流的变化关系

也就是我一个线圈绕好了对吧

我加一点小电流 比如说我某个电流加上去

稍微抖动一下

这时候会因为我抖动这个变化的电流

它就会变化了一个 φ 也就是个磁通量

变化了一下

如果变化的一个电流磁通量不变化都是很大的

都在某一个地方固定的

那说明磁芯饱和掉了

所以说呢 定义是 Δφ/Δi 就是一圈的电感量

这是定义

电感就这么定义出来了

N 圈就是有 N 倍电感量

所以这个公式 L=Nφ/I

这实际上是一个电感的定义

这个没有什么太多道理

就电感就这么规定出来的

所以这个一定要记住

这是它的来源

规定了这个电感

我们前面有一个 φ 是什么呢

我们讲激励源 有欧姆定律

激励源除以电阻

就等于 φ 就是磁通量 这一部分就是 φ

这部分 φ 呢

我们再把它看到这个两个电流是一样的

把它约掉了

那么就是 N 平方 乘 1/R

就得到那么个关系

N 平方假设为 1 的话 N 是 1 匝的情况下

那电感就是 1/R

那我们把 1/R 定义成 AL 值

所以一个磁芯 哪怕是开了气隙或者不开气隙

告诉你 AL 值是多少

它是跟我们绕线没有任何关系的

磁芯材料决定了 磁芯的大小决定了

形状决定了 AL 值就固定了

实际上是什么

最后我们发现 AL 值就是这个东西

就是说磁阻的倒数

这个磁芯转一圈的时候

这个磁阻把它翻过来倒过来就是

一匝的电感量

所以这个非常有意思

我希望大家能够理解并且把它记下来

你所有的思路都是从这里搞的

那么我既然知道了

我们知道了这一块电感量是这么关系

只要给你一个固定的磁芯

告诉你多少匝你就知道了电感量是多少了

至于饱不饱和我们看下面

磁通密度是 φ 除以面积

所以说 φ 就是激励源除以磁阻这是个面积

那么激励源 这是激励源

然后我们把这个变过来

1/R 就等于 AL

那就形成这么一个关系

那么放到这边来

这边跟这个有什么关系

我两边都乘上要给 Np 匝数

那么我就得到了一个什么关系呢

就等于 Ip·Lp / Np· Ae

磁芯的磁通密度就等于

这个时候流过这个线圈的电流乘上电感量

除以它的匝数和它的有效面积

这个纯粹是我们从这个定义推出来的

这是这个关系

你会发现这个磁通密度跟谁有关系

跟原边的电流那一时刻的电流

还有它的电感量

还有参数 面积

前面我们已经算过了

这一时刻就是 ON 一瞬间时刻的

电流为 IDS1 那这个地方的 Ip

就是 IDS1 了 L是不变的

我们假设没饱和 它就不会变

匝数我们已经固定好了

面积也是固定的

所以说我们得到了这么个关系

就是说在开通的时候的 B 这么多

关断的时候电流最大所以 B 也是最大的

Bmax=IDS2Lp/NpAe

我们算出来就是在某一时刻的时候

只要知道这一个关闭之前的这个最大电流

我们就知道了它饱不饱和

同样呢这两个相减

这个这个排版有点问题了

DS是小写的就是

ΔI 乘上电感量除以 Np 和 Ae

那么就是等于得到了 ΔB

到现在为止我们是固定频率的

CCM 假设是固定频率的时候

我们占空比就固定了

占空比就算出来了

占空比有了 频率也有了

所以说到现在为止

我们所有的关系呢

就是我们一个变压器要用的

所有电气参数都出来了

让我们总结下

那这幅图呢这个思路 我先跟大家讲一下

这个思路是什么呢

假设我已经做了一个反击电源给你了

那么它工作在 CCM 的模式上

就是给你肯定是 CCM 模式

那么这个时候呢我要验证

这个变压器绕的对不对

参数合不合乎要求

你的磁场 Bmax 是不是太高了

或者是合理

那么 ΔB 大小 选的线圈的粗细等等

就相当于验证这个点

那么既然是这样

那么右边蓝颜色的东西全部是已知量

也就假设工作在 70k 的频率

或者是 130k 100k 的频率

这频率是我们知道的

输入输出的电压和电流都是我们的目标

比如 24V 3A

输入电压当然知道了

交流电进去整流之后就是输入电压

给你一个磁芯固定了

那么有效截面积 Ae 窗口面积

AL 值也就是它的磁阻的倒数

单位体积的损耗是一个曲线

磁芯厂家会给我们

然后这个尺寸给你了热值我也知道

就是大概发热多少

空气里面散热出去多少度等等这些都知道

这个 BB 是表示骨架

就是给你绕线的空间有多少

实际上也给你固定的

因为它有个绝缘关系

那么这些都是已知量

VDSS已知 现在我就想用 600V 的

那我就是 600

VRM 什么意思

就是整流二极管副边的整流二极管

选的 150V 或者是 50V 80V 的当然没有 80V

50V 还是 90V 的肖特基

还是 200V 的快恢复等等

这个是我自己选的

所以我知道

De-rating 我们降额的使用率

就刚才讲的 比如场效应管比如我按九成工作

二极管也是九成或者八成

那么这是规定的当然知道

Spike 是不知道的 假定是 50V

刚才讲的吧

那么当然我要假定 50V

算完之后

我要把它凑到 50V 以下就合理了

这些条件都知道了之后

那么我们就可以验证变压器合不合理了

变压器怎么去验证呢

假定变压器测了以下刚好是 500uH

其实 500uH 不一定是最合理的

假设我测一下是 500uH

假设我测一下是 500uH

那我 500uH 知道了 给你磁芯

一圈的电感量是知道的 AL 值知道了

那么这样的话自然知道原边要绕多少圈

其实可能供应商给你的这个变压器

没告诉你多少圈

但是只要知道这个磁芯

一个空磁芯拿过来测下单匝的电感量

然后算一下就知道这个 Np 是多少了

按照我刚才讲的这些输出的关系

匝数可以这么算

按原副边的变比从输入输出关系可以算出来

还有场效应管的耐压等等可以算出来

所以原边的匝数和副边的匝数都知道了

也就是说只要告诉你这个电感量

原副边匝数都知道了

否则 Np/Ns 就不合理

如果合理的话这个都是定下来的

那么同样从这个地方也是一样

就是我们输入输出电压知道了

占空比就自然知道了

频率知道了 Ton Toff 都知道

通过这些关系

电感量知道了

ΔI 也就知道了

通过这个等等推出来 ΔB

因为面积知道了 ΔI 知道了

那么 ΔB 就知道了

这个就是刚才讲的算出的电流波形

原边的 I1 I2

反过来通过变比

副边的二极管 D1 D2 也都可以算出来

那么通过这些关系我们就可以确定

Bmax 是多少

我们如果想 Pcv 的 Pc40

Bmax 高温的时候我们允许 390 毫特

你算出来这个 400 毫特

那肯定饱和不能用

那最好是 390 毫特以下 留一些裕量

那么 ΔB 是干什么呢

ΔB 是看磁芯损耗

因为 ΔB 如果知道了

频率是自己定的

单位体积的损耗查表就查到了

查到之后乘以体积就是磁芯的发热

所以这个发热你一算

这么个小变压器要 3W

那肯定不行

那我们调整参数 电感量

那么最终变成 0.3W

小变压器 0.3W 还可以的

实际上是给大家这么一个验证方法

底下这个是什么呢

因为我们已经知道了原边副边电流波形了

知道电流波形自然算出有效值

交流分量 直流分量都算得出来

给了骨架指数就意味着绕线空间确定了

所以选某一个粗细的线

刚才匝数知道了

排下去的时候只能排这么粗的线

排了这么多的线算面积

有了面积有了有效值

电流密度就知道了

如果你算电流密度是 1 平方毫米要

跑 20A 那肯定会冒烟 肯定不对

一般是 3A 或者 5A

这个是选择多大的尺寸有关系

也就是说在这个图上

给大家验证什么呢

通过已经拿到的变压器

告诉你电感量 变比我们确定

按照这个变比 这些参数

你就可以得到这些参数

最终来检查磁芯是不是过热了

检查磁芯是不是会饱和

检查原边的电流密度是不是太高

太高就会发热

副边的电流密度是不是太高

如果都比较合理

那你这个设计就蛮好

从这个意义上来讲

当然这仅仅是变压器

如果说我们变压器蛮好

但是如果 IDS2 非常高

管子根本受不了也是不对的

所以我们还要调整兼顾原边副边的

其它原件参数

总之对变压器来讲

就看这四个方面

其实底下两个方面最好是算上原边的损耗

和副边的线圈损耗

但由于反激电源有气隙 有漏磁

所以涡流损耗是非常难算的

所以一般来讲控制线的粗细

拿电流密度来算可能会比较好一点

算涡流损耗毕竟非常难算

用这个比较直观地告诉你

大概你这个发热厉不厉害

当然有经验了比如选一个 PQ35 磁芯

那你的电流密度

我以前用过的大概是 3A

我觉得这个温度是大概这个地方散出去的

你要是 5A 就散不出去

所以你通过这个可以反过来

去修正你设计的范围

讲到这呢

实际上我们 CCM 的模式

整个的设计思路计算思路

基本上就是这些就确定了

当然有了这些参数之后我们还要兼顾

电源的前后的一些总电路参数是不是

合理和匹配

这一讲我们就讲到这

谢谢大家