【MPS反激设计工具实测】快速设计65W PD应用方案

反激(Flyback)变换器在电源设计中广泛应用,尤其是在需要高效率、紧凑尺寸以及成本控制的场合,适合低至中等功率范围的电源设计,特别是功率小于100W的设备。其常见应用包括小型电源适配器(如手机、笔记本充电器)、电力供应器(如通信设备、工业控制系统)、以及USB PD(例如65W和100W的快充电源)。反激变换器具有较高的集成度,使用较少的外部组件,使得设计更简洁,有助于降低成本。此外,反激变换器提供电压隔离,能够满足安全性要求,适用于需要电气隔离的应用。

工作原理上,反激变换器利用变压器作为能量存储元件,通过周期性开关转换输入电压为所需输出电压,特别适合高频开关操作。其工作频率通常在80kHz至150kHz之间,可以根据负载变化调节频率,尤其在轻负载下展现较好的效率表现。变压器设计是反激变换器的核心,需考虑输入输出电压、工作频率、磁饱和等因素,确保高效转换。负载响应较快的应用中,常结合反馈控制机制(如原边控制或次边反馈)来提高稳定性。在MOSFET选择上,高效的MOSFET是保证低开关损耗的关键,特别是在高频工作条件下。

由于反激(Flyback)变换器的广泛应用以及比较固定的设计模式,MPS结合自身产品优势推出了一款Flyback Design Tool设计工具,MPS 数字反激式设计工具为设计高效可靠的反激式转换器提供了全面的解决方案。它具有强大的功能,包括集成 RCD 缓冲器以提高性能、减少电压尖峰和 EMI 问题、精确的控制环路设计以及根据指定要求量身定制的个性化产品建议。如果你是一个电源设计小白,可以直接通过输入输出参数快速定制,接下来我们一起来认识一下这款在线设计工具。

我们可以在MPS官网进入设计工具界面打开:

这个时候我们看到的是主页面:

首先在System模块进行初始参数的定义,我们这次以输入90~264Vc,单口输出20V/3.25A,主要应用于65W PD应用的设计方案为例,修改输入输出参数:

输入参数部分以及输出个数,输出参数部分,输出功率自动计算,之后我们可以看到右侧的修改项(这里显示的是我们实时计算出的参数):

可以看到总共有45项修改实际上这些就是我们在进行参数修改之后,各模块之间的相互作用对应整个设计相关的参数,可以直观的看到我们整体设计的性能参数,如果想要优化就改动相应的设计参数。

变压器

变压器是我们整个设计中最重要的部分,变压器承担了输入与输出之间的安全隔离功能,其绕组结构、绝缘等级、爬电距离与电气间隙必须满足安规要求,变压器的匝比设计直接影响MOSFET的耐压应力和次级整流器件的电压、电流应力,匝比不合理往往导致原边电压尖峰过高、次级效率偏低,甚至引发可靠性问题。漏感控制是反激设计中的敏感点,漏感过大会造成关断尖峰、电磁干扰增大,并增加RCD或有源钳位的损耗。当然了我们一般都是根据这个变压器来进行整体的设计的,目前推荐的变压器的参数如下:

我们可以根据使用的具体器件参数如实填写,如果我们修改对应的参数,可以看到后面的性能参数会有对应的变化:

可以看到我们修改初级测漏感系数,直接影响的是变压器初级测漏感:

漏感影响RCD:

然后依次进行输出电容、RCD、控制相关的设计:

可以看到这个在线的数字反激式设计工具,非常明确的设计思路,首先就是整体设计方案对外的参数性能,然后就是根据重要程度进行的模块器件参数的选择。

设计方案的“心脏”——变压器:漏感是由变压器中一个绕组与其他绕组没有完美耦合的磁通量引起的。它在很大程度上取决于物理绕组的几何形状。反激变压器的漏感对功率转换效率有负面影响。这种泄漏能量可能导致主开关漏极上的高电压尖峰,这应该被限制以保护MOSFET,并且主要消散在像RCD钳位网络这样的关断缓冲器中作为热量。纹波因数与变压器尺寸和均方根MOSFET电流密切相关。减小纹波系数可以降低MOSFET的传导损耗,但过小的纹波系数意味着变压器尺寸的增加。

输出电容:在反激变换器中,输出电容承受的压力很大,因此在指定输出电容时要考虑的主要因素是:电容值、纹波电流、低ESR、温度、额定电压和寿命。如果需要较低的输出纹波,则必须使用较大的输出电容和较低的ESR。

RCD缓冲器:缓冲器有助于减轻由于变压器泄漏电感和开关节点电路中杂散电容之间的振铃而产生的电压尖峰。如果没有缓冲器,电压尖峰会增加噪声,甚至可能导致MOSFET击穿。如果出现尖峰,则调整缓冲电阻器的值,直到找到最佳性能。即使在主变换器中没有电源时,RCD钳位的电阻也总是耗散功率。使用相对较大的电容器可以使电压在一个开关周期内保持恒定,即使转换器上的负载很小,电容器将始终充电到转换器二次反射的电压。

控制侧:主侧调节(PSR)更容易实现,需要更少的组件,而次侧调节(SSR)允许更先进的调节技术,如加权调节。在瞬态响应速度方面,SSR比PSR快,因为PSR的输出电压只在开关Q1关断时采样。在可靠性方面,PSR的隔离完全取决于变压器的隔离,而SSR的隔离还取决于光耦合器。因此,PSR消除了由于光耦合器故障而导致故障的风险。

以上就是反激设计方案中4大组成部分,实际上对于电源设计来说反激设计方案的整体外围器件已经相当少了,主要的体积限制就是变压器。通过使用数字反激式设计工具,我们可以一步一步进行重要器件的圈定,每选择一个参数都可以直观的看得到对应的设计方案细节参数,想要调整也就会很直观,非常适合一些特殊设计要求的定制化设计,同时也会有基本仿真效果展示:

通过推荐的方案原理图直接转化就可以:

控制模式也是会有直接可靠的原理图推荐(例:一次控制模式):

总结:

在本次65W PD反激方案中,使用 MPS(MPS)在线反激设计工具进行快速设计。设计起点只需明确输入范围(90–264Vac)、输出规格(20V/3.25A)和目标功率,工具便会基于典型反激模型,快速给出原边电感、匝比、峰值电流、MOS耐压及磁芯建议,我们能够直观看到推荐建议,不需要进行细节计算。

展望一下,在器件关联上,目前的MPS工具只能进行推荐,比如在控制模式模块是否可以嵌入对应的器件选择,然后生成个性化的原理图建议,甚至可以在每一个模块里嵌入推荐型号模型,可以直接输出对应的PCB布线规则。