反激变压器设计过程及MPS设计工具的使用

1. 反激基本原理介绍

在这里,先将电路看作理想电路分析,不包含电路当中带有的寄生电容和电感的寄生参数。

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图1.1 反激模态图a
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图1.2 反激模态图b

如图1.1所示,在t=0时刻,开关管S闭合导通,导通即短路,其电压为0,变压器一次侧电压为Vin,激磁电感Lm两端电压为Vin,激磁电感为定值,故激磁电流线性上升,流过开关管S的电流即流过激磁电感的电流。
电流增长率公式:
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如图1.2所示,在t=ton时,开关管S断开,断开即断路,无电流通过,变压器二次侧电压Vo,故一次侧电压为,激磁电感电压即一次侧电压,故激磁电流线性向下,此时变压器只剩下副边的绕组正在工作。副边绕组极性转变为上正下负,该状态下的二极管正向导通,存储在激磁电感中的能量通过变压器传递到二次侧,再通过二极管释放到输出储能电容C和负载上。在此状态,初级绕组中的电流Ip转移到次级绕组上,次级电流Is从最大值减小,DCM模式下Is会一直降到0,其下降速度为:
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在toff1时,在电感电流断续导通模式,所有在初次侧导通时储存在电感里能量传递到二次侧在开关切换的时候,二次侧电流衰减到0。
2. 反激电路设计举例
输入电压为90V/AC-265V/AC
输出电压为19V
输出电流为0A-3.42A
输出功率为65W
使用芯片MPX2002
工作频率70kHz
那么可以将规格填入MPS的MPX2002的设计工具

3. 输入电容选取

经验取值为2~3uF/W,控制成本,可选取100uF
理论依据:

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同样可以把数据填入设计工具,可以得到输入电容取值后的最大输入电压Vinmax和最小输入电压Vinmin。

4. 反射电压的确定

反激开关电源中,反射电压是指变压器二次侧绕组反射回变压器一次侧绕组的电压。当反射电压与输入电压之和超过主开关管的耐压时,开关管会被击穿。当输入电压耦合到变压器次级的电压与输出电压之和超过变压器次级的二极管的耐压值时,二极管会被击穿。因此,反射电压的正确取值是必要的。
当开关管导通时,变压器次级二极管的电压为:

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当开关管断开时,主MOSFET的漏极和源极电压为:

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反射电压取值在低压输出(5V)时取值80~100V,高压输出(24V)时取值100~135V;19V输出时取值114V,考虑Mos的电压应力小;变比N取值6~7.
可以得出反射电压为:

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5. 变压器电感值计算
Vin最低电压时工作在BCM,可获得最简易的电感计算,根据占空比计算公式:

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此处Vin,代入的是Vinmin可以得到最大占空比。
计算MOSFET开关周期:

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计算开关管最大开通时间:

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计算最大输入电流:

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初步效率取0.9。
计算原边电流值:

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电感电流纹波系数Kp决定了电流大小,也决定了CCM模式还是DCM模式,Kp一般取值0~1之间。Kp=1为DCM,全范围输入Kp取值0.6~0.8, 230Vac下取值0.8~1。

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计算纹波电流值:

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计算激磁电感值:

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同样可以把数据填入设计工具,可以得到变压器励磁电感值:

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设计工具是什么

您好,可以点击下面链接,MPS工程师会给予线上支持。对应IC的变压器设计工具可以提供给您。也可以MPS官网搜索IC名称,下面会有设计工具的下载。
具体可以向线上技术团队获取相关资料:
MPSNow-为您提供各类技术支持 - 联系方式 (monolithicpower.cn)

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6.采样电阻值计算
考虑斜坡补偿slope_comp,如:
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计算时,Vlim可以取0.95的规格值,留有余量。
7.原副边电流有效值计算
原边电流上升函数为:
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在tonmax时,原边电流上升到最大值。
计算原边电流有效值:

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副边电流值为:

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副边电流上升函数为:

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在tonmax时,副边电流为最大值。
计算副边电流有效值:

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计算出变压器副边电流有效值。
同样可以把数据填入设计工具,可以得到采样电阻值和原副边电流有效值:

8.磁芯的选取
现一般磁芯选取可以经验选取,计算方法可以依靠AP法进行选取。AP法推导公式简单介绍如下:
输入功率公式可推导出:
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根据法拉第电磁感应定律得出:
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磁芯的有效截面积公式:

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推导出窗口面积关系式:

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Kw为磁芯窗口系数,一般取值为0.25,
Kj为绕组电流密度系数,一般取值为0.0085A*m2
结合以上公式的推导,得出AP法计算式:

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Bm的取值,以JPP-95材质磁芯为例:

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            JPP-95材质B-H曲线

如图所示,温度100℃时,Bs的值为410mT,Bs的值会随着机器本身及其中变压器温度的升高而降低,因此,考虑到实际情况,Bm的取值为:

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电流密度j的选取主要影响变压器线包的热性能,电流密度过大会导致变压器线包温度过高,从而影响机器的电气性能。初步电流密度取500A/cm2。
下面可以将数据填入设计工具,选取磁芯:

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9.匝数的计算
安磁JPP-95材质的RM10磁芯Ae的取值为98mm2,计算变压器原边匝数为:

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副边匝数:

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计算得出的匝数向上取整,最终得出原边匝数为42匝,副边匝数为7匝。
10.选择副边线材
上文提及电流密度取500A/cm2。
计算变压器初级绕组线材的横截面积:

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计算变压器次级绕组线材的横截面积:

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计算得出变压器初级绕组横截面积为1.87×10-7m2;变压器次级绕组横截面积为9.302×10-7m2。
选用多股线作为变压器初级绕组线材,单根线材线径为0.1mm,则半径r=0.05mm,可以计算变压器初级绕组股数:

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得出结果向上取整为25,所以选用25股多股线作为变压器初级绕组线材。
计算25股多股线总的横截面积:

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计算并检验变压器初级电流密度:

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变压器次级绕组选用三层绝缘线,首先计算线径:

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考虑到充分利用变压器磁芯窗口,选取线径为0.5mm的三层绝缘线四线并绕,由此可以得出半径rs=0.25mm,则实际变压器二次侧的绕组截面积为:

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计算并检验变压器次级电流密度:
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根据RM10数据规格可以算出磁芯Aw:

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检验磁芯窗口利用率:

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一般情况下,为了绕组能够充分的绕制完成,窗口利用率Ku的值应小于0.25。
可以将数据填入MPS计算工具:

原边选取38#线材直径为0.1mm,匝数为25股,计算匝数为28股,这样原边绕组电流密度会稍大于500A/cm2,为了后面绕组屏蔽层的绕制,可以稍微降低窗口利用率。
副边选取24#线材直径为0.5mm,匝数为4股(可以采用双线并绕,分两层绕制),计算匝数为5股。
Vcc绕组选取32#线材直径为0.2mm,匝数为2股并绕(可以便于绕制),计算匝数为1股。
点击OK!Please generate a check list。即可生成变压器的绕制规格书和检测电阻等Bom表。如下图:


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