這種開關模式電源變換器在中低功率範圍（約 2W 至 100W）內提供了極具競爭力的尺寸、成cheng本ben與yu效xiao率lv比bi。反fan激ji式shi變bian換huan器qi的de操cao作zuo基ji於yu耦ou合he電dian感gan器qi，它ta實shi現xian了le電dian源yuan轉zhuan換huan，同tong時shi還hai可ke以yi隔ge離li變bian換huan器qi的de輸shu入ru和he輸shu出chu。耦ou合he電dian感gan器qi還hai支zhi持chi多duo個ge輸shu出chu
，這zhe使shi反fan激ji式shi變bian換huan器qi成cheng為wei多duo種zhong應ying用yong的de理li想xiang選xuan擇ze。

 

反激式變換器操作

 

反激式變換器的基本組成元件與大多數其他開關變換器拓撲相同
，唯一的不同是它采用了耦合電感器，它將變換器的輸入與輸出隔離（見圖 1）。 

 

圖1: 反激式變換器原理圖

 

反激式變換器有兩個信號半周期： t_ON and t_OFF,它們以MOSFET的開關狀態命名並受其控製。

 

在t_ON期間，MOSFET處於導通狀態，電流從輸入端流經原邊電感器並對耦合電感器進行線性充電。

 

在t_OFF期間, MOSFET處於關斷狀態，耦合電感器開始通過二極管去磁。來自電感器的電流為輸出電容器充電並為負載供電。

 

反激式變換器設計及組件選型

 

設計一個反激式變換器需要做出許多重要的設計決策與權衡。下麵我們將介紹一個簡單的反激式變換器設計過程中的每個步驟。圖2顯示了我們將遵循的設計流程。 

 

圖2: 反激式變換器設計流程

 

反激式變換器設計過程與計算

 

步驟1: 設計輸入

 

設計輸入或由最終應用確定，或由設計人員來選擇。這些參數包括但不限於：輸入和輸出電壓
、功率、紋波係數和操作模式。表1羅列了本文所討論電路的設計輸入。

 

表1: 設計輸入總結

 

非連續導通模式 (DCM)具有較高的穩定性和效率，我們為此應用選擇了該模式。這意味著該解決方案的紋波係數為1。

 

其最大占空比固定為50%
，以最大限度地減少應力並均衡利用MOSFET和二極管。開關頻率則選擇為160kHz。

 

為使計算更加實際
，變換器的估算效率也被定義。盡管該估值相對較低（約80%），但卻是低功率反激式變換器的常見效率值。

 

根據所有這些輸入，設計人員必須選擇滿足所有初始要求的控製器IC。本例采用了MPS的MP6004。MP6004是一款僅支持DCM模式的反激式控製器。它還提供原邊調節功能
，可減少外部組件的數量。

 

步驟2: 最大原邊電感計算及選擇

 

第一個設計計算用於找到最大原邊電感值。有許多不同的設計方法可以用於計算該值，但本例中的變換器始終運行在DCM模式，因此我們采用如下的公式 (1)來計算原邊電感值(L_P):

 

 

最壞情況發生在變換器以最小輸入電壓（VIN）和最大占空比（D）且全功率工作時。將設計輸入代入公式（1） 
，可以得到最大電感器限值為53μH。

 

接下來計算所需的匝數比 (nS1)。我們仍使用最小VIN和最大D以得到最壞情況下的值，同時增加二極管的正向壓降以使計算更加精確。用等式(2)來估算nS1：

 

 

步驟3: MOSFET計算

 

下一步是為應用選擇合適的MOSFET。為此，我們需要計算開關必須承受的最大電流和電壓。首先利用公式 (3) 來計算最大電壓：

 

 

注意， V_{DS_MAX}上增加了20%的安全裕度

，以確保變換器的安全運行。然後我們利用公式 (4) 來估算最大電流：

 

 

查看MP6004控製器規格
，可以知道MOSFET的V_{DS_MAX} 為180V，最大電流為3A。這意味著該控製器IC可以在此應用中安全使用。

 

步驟4: 整流二極管計算

 

該步驟用於評估整流二極管。與MOSFET一樣，其目的是確保整流二極管能夠處理它可能遇到的最大電壓和電流。 首先利用公式（5）來計算二極管能承受的最大電壓：

 

 

通過增加40%的安全裕度
，得到最大反向電壓為60.5V。

 

步驟5: 輸出電容器計算

 

我們用一個估值來確定輸出電容的值
，即忽略電路的二階方麵，如寄生分量和輸出串擾。利用公式 (6) 來估算電容的電壓值：

 

 

請注意，如果該公式用於t_ON,則可以大大簡化。利用公式 (7) 計算輸出電壓紋波：

 

 

接下來，選擇一個電容值以得出最佳紋波電壓。本例使用了一個250μF的電容器
，其輸出電壓紋波為12.5mV。

 

步驟6：反激變壓器的設計和計算

 

下xia一yi步bu是shi變bian壓ya器qi的de設she計ji。變bian壓ya器qi選xuan型xing需xu要yao做zuo出chu許xu多duo設she計ji決jue策ce，例li如ru磁ci芯xin材cai料liao和he磁ci芯xin形xing狀zhuang的de選xuan擇ze。每mei種zhong選xuan擇ze都dou有you其qi特te定ding的de優you勢shi，在zai本ben例li中zhong，我wo們men選xuan用yong了le常chang見jian的de雙shuangE形鐵氧體磁芯（見圖3）。 

 

圖 3：變壓器雙E型磁芯和變壓器主要構成

 

用於計算變壓器麵積的方法稱為AP法。它將變壓器的總麵積定義為繞組窗口麵積與磁芯橫截麵麵積的乘積，所有變壓器的磁通量都彙集於這些位置（見圖 4）。

 

圖4: AP法涉及的區域

 

變壓器麵積可以用公式 (8) 來估算：

 

 

現在，我們已定義了方法和設計參數

，然後就可以通過一組快速計算來設計變壓器。 首先，用公式 (9) 計算最小變壓器麵積：

 

 

B_MAX通常是已確定的輸入參數；對於鐵氧體磁芯
，一般在0.2T到0.3T之間。使用A_P 法，最後可以選擇一個EE13磁芯和一個最小長度為0.28mm的變壓器骨架。

 

然後計算適合這個變壓器的最大原邊匝數和副邊匝數，並保證符合等式 (2)中計算出的匝數比。用公式 (10) 計算原邊匝數：

 

 

用公式 (11) 估算副邊匝數：

 

 

輔助繞組匝數與副邊輸出匝數的計算方法相同，最後得到 N_AUX = 5. 

 

步驟7: 緩衝器設計和計算

 

shejiliuchengdezuihouyibushizhaodaoheshidehuanchongqizhi。huanchongdianluyouzhuyujianqingkaiguanjiediandedianyajianfeng

，zhexiejianfengshiyouyubianyaqiloudianganhedianluzhongzasandianrongzhijiandezhenlingerdaozhi。ruguomeiyouhuanchongqi，dianyajianfenghuizengdazaosheng
，shenzhihuidaozhiMOSFET擊穿。圖5顯示了帶緩衝電路的反激式變換器。 

 

圖 5：帶輸入緩衝電路的反激式變換器

 

緩衝器的設計過程包括三個階段。首先，預估漏電感約為原邊電感的2%；其次，設置最大緩衝器電容電壓紋波為 10%；最後就可以估算出緩衝器組件的值。

 

用公式 (12) 計算最大電容器電壓：

 

 

用公式 (13) 估算緩衝器電阻中的功率：

 

 

以功率作為一個限製參數，並使用公式(14)來計算緩衝器的電阻值：

 

 

用公式 (15) 估算緩衝器的電容器值：

 

 

最後
，利用公式(16)來計算緩衝器二極管兩端的最大電壓：

 

 

最後設計

 

在計算出變換器的所有組件值後，MP6004穩壓器就可以與其外部組件配對，構建出一個全功能反激式DC/DC變換器。

 

注意，該電路包括了前麵已提到的元件
，如原邊電感器(L_P),輔助電感器 (L_P2),輸出電容器（由C_2A, C_2B, 和 C_2C並聯組成，以提高頻率響應）,整流二極管(D₁), 和緩衝電路。

 

圖6顯示了電路的最終設計以及新的組件
，例如MP6004原邊控製器。該控製器包含MOSFET開關及其所有相關電路，還包括一些用於噪聲過濾的附加組件。 

 

圖6: 最終設計電路原理圖

 

結論

 

本文采用MPS的MP6004演示了如何通過八個簡單的步驟設計一個反激式變換器。盡管在設計準備好實施之前還有很多因素需要考慮，例如通過EMC 測試
、控製回路設計和元件選型，但建立一個清晰的計算和選型方法非常重要。

 

許xu多duo設she計ji決jue策ce都dou將jiang對dui係xi統tong的de整zheng體ti行xing為wei產chan生sheng重zhong大da影ying響xiang，因yin此ci建jian立li輸shu入ru設she計ji參can數shu是shi關guan鍵jian的de第di一yi步bu。這zhe些xie參can數shu設she置zhi了le變bian換huan器qi設she計ji的de約yue束shu條tiao件jian，其qi餘yu步bu驟zhou都dou將jiang根gen據ju這zhe些xie規gui格ge來lai選xuan擇ze值zhi。

來源：MPS

 

 

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