回扫变压器指南：功能和设计

回扫变压器指南：功能和设计 由于回扫变压器具有成本低、设计简单、效率高等特点，广泛应用于100W以下至150W电源。与其它具有类似拓朴结构的电路相比，回扫变压器还具有隔离主副级的特点，并可提 供多输出，以及为输出选择正负电压。本文讨论了回扫转换器中或变感扼流圈变压器的设计 参数，变感扼流圈变压器已使用多年，但在变压器隔离的调节器中这种拓朴结构还是独一无 二的。 当开关打开时，能量都存储在主级(在铁心材料内)。正如图1所示，变压器的极点和二极管 放置的位置是为了使开关打开时，能量不会传输到负载端。当开关闭合后，由于磁场消失， 变压器线圈的极性会反转，输出整流器导通，存储在铁心材料内的能量会传输到负载上。这 种过程会一直持续直到能量耗尽或开关再次打开。 图1. 典型回扫变压器电路 回扫调节器可在间断或连续模式下运行。当工作在间断模式时(见图2)，当FET开启或关闭时，铁心材料内存储的能量会在回扫期间完全耗尽。在连续模式下，(参见图3)FET会在铁心材料耗尽回扫能量之前开启。回扫变压器的具体工作模式与负载和输入电压相关。 设计者需要考虑到低压下的最大负载，其中包括回扫工作范围的所有条件，这是因为变压器 会在不同周期之间关闭(间断模式)，并等待负载满足功率传递的容量。这是回扫最主要的特 点，输入电压和负载的调节范围大。 图2. 间断模式下的回扫变压器 图3. 连续模式下的回扫变压器 下列方程常用于确定回扫变压器，随即用一个典型的设计示例解释如何使用这些方程。 令V= L dj/dt,Vin,min = (LpIppf)/(σmax) 其中，Vin = 输入电压, V Lp = 初级线圈电感, mH Ipp = 峰值电流, A σmax = 最大占空比, μs f = 开关频率, kHz 对间断模式而言， 电源输出 = 1/2*Lp*Ipp*f Ipp = (2Pout)/(Vin,min* σmax) 如上所述，回扫变压器的调节是通过PWM完成的。如果变压器Vin电压从Vin,min增大到Vin,max，那么 σmin = (σmax) / ((1- σmax)C + σmax) 这里C = Vin,max / Vin,min 由于Ipp是已知的， Lp = (Vin,min* σmax) / (Ipp*f) 尽管设计者需要依靠选择铁心材料的经验，这仅会提供近似结果。下列公式可提高估计结果。 Ac*Ae = (((6.33*4)*Lp*Ipp*D)*10~8) / Bmax. 这里Ac = 线圈面积 cm Ae = 铁心有效面积, cm Bmax = Bsat/2, Gauss. 可向铁心制造商咨询有关材料、损耗-频率等信息。 D = 导线直径, 英寸 由于回扫变压器采用单端配置，仅使用一半通量配置，所以必须为回扫变压器计算空气间隙。 这样会导致铁心饱和。 Gap (cm) = lg = ((0.4*Π*Lp*Ipp)*108) / (Ae*Bmax) 当空气间隙长度确定后，主级和次级线圈的圈数也可以确定。 Npri = (Bmax*lg) / (.4*Π*Ipp) Nsec = (Np(Vp + Vd) (1-σmax)) / (Vin,min* σmax) 下面的示例是介绍如何设计间断模式的回扫变压器。现代设计利用PFC (功率因子校正)，在整流后立即定位。通常采用提升拓朴用于动态特性和输入电压范围。本示例不涉及PFC。 Vinput = 85至132 VAC Voutput = 5VDC @ 10A = 50瓦 频率 = 100kHz 假设 σmax = .45 1) 计算峰值 Ipp 因为 Vin,min = 85VAC, 这样纹波为 Vin,min = 85*1.4-20V，二极管压降约为100VDC。 因此，Ipp = 2Pout / (Vin,min* σmax) = 100 / (100*.45) = 2.22 A 2) 计算σmin Vin,max = 132VAC*1.4 = 185VDC 如果裕度为10%，Vin,max = 203VDC, 假设为200VDC 如果Vin,min裕度为10%，那么Vin,min = 90VDC 这样，输入电压比为C = 200/90 = 2.22 因此 σmin = .45 / ((1-.45)*2.22+ .45) = .27 这些结果表明，变压器的占空比为0.27至0.45，Vin范围在200VDC至90VDC。 3)计算一级线圈电感 Lp = 90*.45 / (2.22*100kHz) = .18mH 4) 选择铁心 在该示例中，电流密度约为300 cm/A。由于Ipp = 2.22A，总长度为300*2.22 = 666 cm。从导线图看，22 AWG的直径为0.028英寸。如果选择Magnetics, Inc公司的材料“P”，Bmax = 500 Gauss，这样铁心材料可达100mW/cm。 因此， AcAe = (6.33*4) *(.00018Hy)*2.22*(.028)*(10~8) / (500) = 1.59 cm4. 产品目录的PQ43230 (PQ3230)大小为AcAe = 1.60 cm4。 5) 计算空气间隙长度 Lg = (.4*Π*.00018*(2.22)*10~8) / (1.37*(500)) = .30 cm (大约) 在铁心中间位置 6) 计算主级和次级圈数 Npri = 500*.30 / (.4*3.14*2.22) = 54 圈 Nsec = 54*(5 + 1) (1 - .45) / (90*.45) = 4.4 圈 使用5圈是因为我们没有先前包括线圈、PCB和其它寄生损失。接下来要选择输出导线。 当电流为10A时，导线为10*300 = 3000cm，次级线圈的线规为16AWG。为了减小表面效应引起的铜损耗，我们建议使用多股薄导线(4股22 AWG相当于单根16 AWG)。 由于在实现一些安全时，会增大回扫变压器的体积，因此，设计工程师还必须检查线轴 填充因子及温度上升值。 CoEv Magnetics提供各种SMPS变压器以变压器客户需求。这些定制的变压器可为特定应 用优化变压器大小、成本和性能，参数选择范围广，其中包括：转换比，电流处理容量 - 驱动电平 - 电感 - 泄漏电感 - 自谐振频率 - DC电阻 - 安装配置 - 隔离电压 Steve Chyo 泰科电子高级设计工程师 Vithi Singh 泰科电子产品经理