鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2020年05月25日
在反激式變壓器設(shè)計(jì)中降低損耗的實(shí)用指南
開關(guān)電源（SMpS）有許多可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但關(guān)于負(fù)載低于150W的電路，最受歡迎的是反激式轉(zhuǎn)換器。有些估計(jì)甚至表明高達(dá)75％的離線電源使用反激式拓?fù)洹?/p>
因此，許多電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面對(duì)著開發(fā)反激式轉(zhuǎn)換器電路的挑戰(zhàn)。為了達(dá)到最佳性能、滿足電氣規(guī)格并保持在成本和空間限制之內(nèi)，設(shè)計(jì)人員要在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)某種形式的定制；而反激式轉(zhuǎn)換器最重要的定制元件是變壓器。
在設(shè)計(jì)工程界，變壓器設(shè)計(jì)和原型構(gòu)建通常被認(rèn)為是黑色藝術(shù)。關(guān)于外行來說，影響變壓器性能的各種參數(shù)-從磁芯材料和尺寸的選擇到圍繞磁芯的繞組的布置-都可能出現(xiàn)混淆。事實(shí)上，變壓器設(shè)計(jì)的過程可以通過應(yīng)用少量的重要方程，結(jié)合一定程度的反復(fù)試驗(yàn)，或稱為“相關(guān)經(jīng)驗(yàn)猜測(cè)”而有序地進(jìn)行。
位于英國(guó)倫敦的富昌電子EMEA系統(tǒng)設(shè)計(jì)中心（SDC）的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從為OEM客戶開發(fā)定制電源的工作中獲得了許多實(shí)踐相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。本文旨在分享這些相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并說明在反激式轉(zhuǎn)換器電路中優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)的有效方法。
反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：操作原理
圖1：典型的反激式轉(zhuǎn)換器電路。（圖片來源：WaldDvorak，Wdwd，維基共享資源，知識(shí)共享許可協(xié)議）
反激式轉(zhuǎn)換器是一種隔離形式的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。它包括：
一個(gè)初級(jí)側(cè)開關(guān)，通常是MOSFET
兩個(gè)繞在磁芯上的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組形式的電感，如
圖2所示。繞組圍繞一個(gè)塑料骨架轉(zhuǎn)動(dòng)，該骨架供應(yīng)機(jī)械支撐和一組用于導(dǎo)線連接及通孔安裝在pCB上的引腳。在其操作中，兩個(gè)電感器的布置方式的正確稱呼為“磁耦合電感器”。但由于兩個(gè)獨(dú)立的繞組，設(shè)計(jì)人員通常將其稱為“反激式變壓器”。嚴(yán)格來說，這是一個(gè)誤用，但為了方便起見，本文將以此方式引用它。
一個(gè)次級(jí)側(cè)開關(guān)，通常是二極管
輸出電容
圖2：在兩個(gè)E形磁芯上的繞組制成的電感器分解圖。變壓器的氣隙形成在磁芯中心臂的相對(duì)面之間。（圖片來源：CyrilButtay，知識(shí)共享許可協(xié)議）
通常通過光電耦合器和補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)反饋，用于隔離屏障控制。
當(dāng)初級(jí)側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)繞組消耗電流，從而出現(xiàn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過低磁阻磁芯很容易地傳遞到磁芯中心處的小氣隙，儲(chǔ)存的磁能在那里累積。當(dāng)初級(jí)側(cè)開關(guān)斷開時(shí)，儲(chǔ)存的磁能感應(yīng)生成電流，流過次級(jí)繞組和輸出二極管，并流向負(fù)載。
這種轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞亩喾N優(yōu)點(diǎn)是其廣泛應(yīng)用的原因：
通過反激式變壓器和光耦反饋補(bǔ)償可以輕松實(shí)現(xiàn)隔離
元器件數(shù)量和成本很低
反激式變壓器的匝數(shù)比可實(shí)現(xiàn)輸入和輸出電壓之間的高比率，例如直接從交流電源電壓輸入出現(xiàn)3.3V輸出。
單個(gè)功率級(jí)可以供應(yīng)多個(gè)正負(fù)極性的輸出電壓軌。
反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持升壓和降壓操作：它是降壓-升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
但反激式轉(zhuǎn)換器有一些缺點(diǎn)，最重要的是：
MOSFET和輸出二極管上的電壓應(yīng)力很高，不同設(shè)計(jì)之間都有很大的不同。
開關(guān)轉(zhuǎn)換期間兩個(gè)開關(guān)元件的高峰值電流和高電壓峰值導(dǎo)致相對(duì)較高的噪聲。反激式變壓器的跨越耦合和來自繞組的輻射也可能出現(xiàn)噪聲。
轉(zhuǎn)換器規(guī)格如何影響變壓器設(shè)計(jì)
反激式變壓器的優(yōu)化由設(shè)計(jì)人員指定的關(guān)鍵參數(shù)確定，即：
輸出功率
開關(guān)頻率
初級(jí)和次級(jí)繞組的峰值和平均電流值（考慮最小輸入電壓、最大負(fù)載時(shí)的最壞情況）
初級(jí)側(cè)電感
最大磁通密度
匝數(shù)比
然而，設(shè)計(jì)人員在可以開始設(shè)計(jì)反激式變壓器之前，要選擇導(dǎo)通模式：持續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），不持續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）或臨界導(dǎo)通模式（CRM）。變壓器設(shè)計(jì)的過程關(guān)于所有三種導(dǎo)通模式都是相同的，但是在任意功率轉(zhuǎn)換器中，操作是不同的，并且在反激式變換器的情況下基本都不同，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)各不相同，會(huì)影響反饋補(bǔ)償。
有大量的文獻(xiàn)可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)者的選擇，所以本文不詳細(xì)地講解導(dǎo)通模式。富昌電子SDC的實(shí)踐相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，選擇通常取決于：
尺寸和成本壓力，在這種情況下DCM由于其較低的電感要求而具有優(yōu)勢(shì)
對(duì)較高輸出功率水平下的低傳導(dǎo)損耗和高效率的要求，在這種情況下，CCM是首選，因?yàn)殛P(guān)于任何給定輸出功率值，峰值和均方根（RMS）輸出電流都較低。
要在開發(fā)過程的早期作出進(jìn)一步?jīng)Q定的是磁芯材料的選擇。影響磁芯材料選擇的重要參數(shù)是最大磁通密度、磁阻和成本。關(guān)于反激式變壓器，最常用的磁性材料是鐵氧體。這是一種便宜的材料，在高達(dá)500kHz左右的開關(guān)頻率下?lián)p耗很低。鐵氧體磁芯在相對(duì)較低的磁通密度下（通常在0.4T左右）即變得飽和。這意味著，在使用傳統(tǒng)鐵氧體磁芯的設(shè)計(jì)中，為了防止飽和，在峰值初級(jí)側(cè)電流下，磁通密度應(yīng)保持不高于0.3T。
損耗的原因，以及如何管理它們
幾乎在所有的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，工程師的注意力都集中在電源效率和功率損耗的最小化。一般而言，減少損耗有助于降低熱應(yīng)力和對(duì)冷卻裝置的需求，提高系統(tǒng)的可靠性，并且能夠創(chuàng)建更小、更輕、更經(jīng)濟(jì)的最終產(chǎn)品。
在反激式轉(zhuǎn)換器中，有許多損耗源，包括MOSFET和二極管導(dǎo)通、開關(guān)損耗，輸出電容紋波電流損耗、緩沖器損耗以及輸入和輸出濾波器損耗。但是在大多數(shù)情況下，總體損耗的最大部分歸因于反激式變壓器。因此，減少變壓器損耗的努力將會(huì)帶來相當(dāng)大的好處。
首先了解反激式變壓器內(nèi)的各種損耗來源，包括：
銅損：由用于初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的銅線的直流和交流電阻引起。
接近損耗：由于強(qiáng)磁場(chǎng)中的緊耦合電流的影響，電流集中在銅線橫截面的一部分中。
泄漏電感：磁場(chǎng)泄漏導(dǎo)致電力損失。在電路設(shè)計(jì)中也必須考慮到這一點(diǎn)，因?yàn)槁└械拇笮≈苯佑绊懙剿^的“緩沖器損耗”。防止磁場(chǎng)泄漏的基本要求是將氣隙定位于繞組內(nèi)。
磁芯材料損耗：由磁芯材料的開關(guān)動(dòng)作和固有的滯后性導(dǎo)致。
銅損
繞組銅線的損耗量受以下因素的影響：
電流波形，直流和交流分量的相對(duì)大小
繞組的整體直流和交流電阻
開關(guān)頻率
接近損耗
特別是，由于所謂的“集膚效應(yīng)”，電流波形中的高開關(guān)頻率和相對(duì)高的交流分量將新增電阻。集膚效應(yīng)導(dǎo)致高頻交流分量向?qū)Ь€的外表面?zhèn)鲗?dǎo)，有效地減小了導(dǎo)體的橫截面積，因此新增了其電阻。富昌電子對(duì)開關(guān)頻率低于100kHz的實(shí)際變壓器設(shè)計(jì)的實(shí)際評(píng)估表明，使用直徑≤0.5mm的單股銅線可以減小集膚效應(yīng)和銅損。
接近損耗也新增了銅布線的損耗：本質(zhì)上，承載高頻電流的導(dǎo)體通過“鄰近效應(yīng)”現(xiàn)象在相鄰導(dǎo)體中誘發(fā)銅損。這種效應(yīng)導(dǎo)致銅損復(fù)合到多層繞組中的每個(gè)附加層上。
因此，為了最小化接近損耗的影響，設(shè)計(jì)者必須將繞組層數(shù)保持在最小值：理想情況下，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組不超過兩或三個(gè)，特別是當(dāng)電流波形具有高比例的交流分量時(shí)，DCM操作就是這種情況。
泄漏電感是匝數(shù)平方（N2）和繞組幾何形狀的函數(shù)。為了最大限度地減小給定磁芯和骨架的漏電感，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該選擇一個(gè)供應(yīng)適當(dāng)截面積的磁芯，從而使達(dá)到目標(biāo)電感所需的匝數(shù)最小化。
另一個(gè)重要的步驟是供應(yīng)初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間最好的耦合。當(dāng)初級(jí)和次級(jí)層的繞組寬度匹配，并保持在相鄰層上時(shí)，或者當(dāng)次級(jí)層夾在兩個(gè)初級(jí)繞組之間時(shí)，可獲得最佳結(jié)果，如圖3所示。
圖3：出現(xiàn)低或高漏電感的各種繞組配置的示例
磁芯損耗：要能量來改變磁芯的磁化強(qiáng)度。并非所有能量都是能以電形式回收的。一部分以熱量流失。這種功率損耗可以被看作是B-H回路的滯后。損耗通常與通量密度的變化（ΔB）和開關(guān)頻率的平方（Fsw2）成正比。
關(guān)于一般的磁性元件來說，飽和磁通密度和磁芯損耗之間有一個(gè)折衷。
使用具有高操作磁通密度的材料可減小尺寸、重量并降低成本。例如，硅鋼芯通常具有1.5-2T的飽和通量密度。不幸的是，這樣的磁芯材料也具有高磁芯損耗。
相反，鐵氧體磁芯是陶瓷材料，其飽和磁通密度在0.25-0.5T范圍內(nèi)。但是由于其電阻率較高，其磁芯損耗較低。反激式變壓器常用的鐵氧體磁芯材料包括Ferroxcube的3C90和Magnetics?的R材料，如圖4所示。
圖4：70mmx54mm的Magnetics?鐵氧體E形磁芯
材料數(shù)據(jù)手冊(cè)中供應(yīng)了顯示各種開關(guān)頻率下的磁芯損耗的曲線，通常繪制成ΔB（以特斯拉為單位）上的磁芯損耗（以kW/m3為單位），可用于估算任何給定應(yīng)用中的磁芯損耗。
上述考慮的所有損耗因素也對(duì)磁芯尺寸的計(jì)算有影響?，F(xiàn)成的技術(shù)文件解釋了確定磁芯大小的各種方法。在富昌電子的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)中，假如空間和成本允許的話，最好從稍大的磁芯尺寸開始，因?yàn)檫@樣可以減少匝數(shù)、磁芯損耗和漏感。
另外，最好選擇一個(gè)能夠供應(yīng)最佳繞組長(zhǎng)度-高度比的骨架：這樣可以最小化所需繞組層數(shù)。
下一步：動(dòng)手構(gòu)建原型
本文概述了在紙上設(shè)計(jì)反激式變壓器時(shí)必須考慮的重要理論因素和設(shè)計(jì)決策。同時(shí)也供應(yīng)了富昌電子變壓器設(shè)計(jì)的實(shí)踐相關(guān)經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)影響因素（如磁芯尺寸和繞組布置等）的一些指導(dǎo)。
