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如何為隔離降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器?

發(fā)布時(shí)間:2024-01-16 來(lái)源:ADI公司 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】本文闡述隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理,以及應(yīng)如何選擇變壓器,這是設(shè)計(jì)隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵,并探討在選擇變壓器時(shí)應(yīng)考慮哪些參數(shù)、應(yīng)采用哪些數(shù)學(xué)公式進(jìn)行運(yùn)算,以及這些參數(shù)會(huì)如何影響整個(gè)電路。



本文闡述隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理,以及應(yīng)如何選擇變壓器,這是設(shè)計(jì)隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵,并探討在選擇變壓器時(shí)應(yīng)考慮哪些參數(shù)、應(yīng)采用哪些數(shù)學(xué)公式進(jìn)行運(yùn)算,以及這些參數(shù)會(huì)如何影響整個(gè)電路。


隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理


隔離式降壓拓?fù)渑c通用降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)湎嗨?,如圖1所示。使用變壓器替換降壓電路中的電感器,就可以得到隔離式降壓轉(zhuǎn)換器。變壓器的副邊可以獨(dú)立接地。


如何為隔離降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器?

圖1. 隔離式降壓拓?fù)洹?/p>


在導(dǎo)通期間,高側(cè)開(kāi)關(guān)管(QHS)接通,低側(cè)開(kāi)關(guān)管(QLS)斷開(kāi)。變壓器的磁化電感(LPRI)此時(shí)被充電。電流方向如圖2中的箭頭所示。原邊電流隨時(shí)間線性增加。電流的斜率取決于(VIN – VPRI)和 LPRI。在此時(shí)段內(nèi),副邊二極管D1反向偏置,電流從輸出電容 (COUT)傳輸至負(fù)載。


如何為隔離降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器?

圖2. 導(dǎo)通時(shí)段等效電路。


在關(guān)斷期間,QHS斷開(kāi),QLS接通。原邊電感放電。原邊電流從 QLS流向地,D1正向偏置,副邊電流從副邊線圈流向COUT和負(fù)載。在此時(shí)段,輸出電容(COUT)被充電。(斷開(kāi)QHS和接通QLS不會(huì)改變電流方向;只會(huì)改變電流坡度。在正電流降至0 A之后,反向電流開(kāi)始增大。)


如何為隔離降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器?

圖3. 關(guān)斷時(shí)段等效電路。


哪些規(guī)格參數(shù)將影響變壓器選擇?


在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時(shí),應(yīng)明確指定一些規(guī)格參數(shù)。它們將決定電路選用哪些器件尤其是選用那個(gè)變壓器。

  • 輸入電壓范圍

  • 輸出電壓

  • 最大占空比

  • 開(kāi)關(guān)頻率

  • 輸出電壓紋波

  • 輸出電流

  • 輸出功率


最大占空比(D)通常介于0.4至0.6之間。最小輸入電壓(VIN_MIN)和最大占空比將決定原邊輸出電壓(VPRI)。原邊輸出電壓(VPRI)和副邊輸出電壓(VOUT)將決定變壓器的匝數(shù)比。


輸出電流(IOUT)和輸出功率(POUT)是影響變壓器選擇的重要參數(shù)。輸出電流決定銅線的粗細(xì),輸出功率決定應(yīng)使用哪個(gè)變壓器線軸。線軸的磁導(dǎo)率決定它能存儲(chǔ)多少電能,能輸出多少功率。一般來(lái)說(shuō),DC輸出電流乘以一個(gè)系數(shù),就能得出電感(變壓器)的紋波電流。占空比和開(kāi)關(guān)頻率可以用來(lái)計(jì)算TON時(shí)間,VIN、VPRI和紋波電流可以確定原邊電感。分配的系數(shù)不能太大或太小,較大的系數(shù)會(huì)導(dǎo)致高紋波電流。高紋波電流可能達(dá)到半H橋限流值的,這會(huì)損壞MOSFET。由于存在ESR和ESL,輸出電容將會(huì)承受大紋波電壓。與之相反,當(dāng)需要極小的紋波電流時(shí),應(yīng)使用電感值很高的電感器(變壓器)。如果線圈匝數(shù)很多,則需要使用笨重的線軸。大電感會(huì)限制環(huán)路帶寬,降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)。


選擇變壓器


電能僅在TOFF時(shí)間內(nèi)傳輸至副邊線圈。匝數(shù)比可以通過(guò)公式1計(jì)算:


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其中,VD表示副邊二極管正向偏置電壓。VPRI的最大占空比一般介于0.4至0.6之間。VPRI可以采用公式2計(jì)算:


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其中,D為最大占空比,VIN_MIN為最小輸入電壓。使用公式2可計(jì)算出匝數(shù)比。在非隔離降壓轉(zhuǎn)換器中,電感兩側(cè)的紋波電流相同。利用公式3可輕松計(jì)算出所需的電感。


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其中f為開(kāi)關(guān)頻率,ΔI為紋波電流。如前所述,我們?cè)O(shè)定紋波電流= DC輸出電流 x 系數(shù)。


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其中K為系數(shù)。但是,隔離式降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲兄挥凶儔浩鳎瑳](méi)有電感。如果其中的組件是變壓器而非電感時(shí),該怎么辦?我們知道,電流比等于匝數(shù)比的倒數(shù):


如何為隔離降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器?


IPRITOFF是關(guān)斷期間副邊電流,它在關(guān)斷期間會(huì)激勵(lì)原邊產(chǎn)生電流。應(yīng)添加變壓器雙線圈電流,將其作為等效電感電流。


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其中,ILeq表示等效電感電流。如果變壓器還有三個(gè)繞組,那么


如何為隔離降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器?


是這樣嗎?我們來(lái)看看基于MAX17682得出的仿真結(jié)果。圖4顯示 MAX17682電路,采用EE-Sim? OASIS繪制,由SIMetrix/SIMPLIS提供。變壓器兩側(cè)裝有電流檢測(cè)探頭,分別為IPRI和ISEC1。


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圖4. MAX17682典型電路,采用EE-Sim OASIS繪制,由SIMetrix/SIMPLIS供電。


如何為隔離降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器?

圖5. MAX17682典型電路的仿真電流波形。


圖5顯示兩個(gè)探頭的瞬態(tài)仿真結(jié)果。這兩個(gè)電流波形是根據(jù)公式6得出并添加的。


添加的電流結(jié)果(紅色)為三角波,其表現(xiàn)就像是非隔離降壓轉(zhuǎn)換器中的電感。因此,可以使用以下公式輕松計(jì)算出變壓器的原邊ΔI:


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通常,采用0.2倍DC輸出電流作為負(fù)載紋波電流。所以,K等于0.2 乘NSEC/NPRI。同時(shí),原邊峰值電流應(yīng)低于開(kāi)關(guān)限流值,其中IPK的計(jì)算公式如下:


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變壓器的原邊電感可以使用以下公式計(jì)算得出:


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根據(jù)匝數(shù)比、原邊電感、輸出功率、輸出電流和隔離電壓,可以決定應(yīng)使用哪個(gè)電感。


為何簡(jiǎn)化公式是有效的


下面介紹如何更好地理解和使用MAX17682數(shù)據(jù)手冊(cè)中所示的公式(參見(jiàn)圖6)。


如何為隔離降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器?


圖6. MAX17682數(shù)據(jù)手冊(cè)的屏幕截圖。


如前所述,可以將公式10改寫(xiě)為公式11,以得出關(guān)斷期間的等效公式。


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假設(shè)D為0.6,只有當(dāng)ΔI為0.4 A,多項(xiàng)式(1 – D)和ΔI才會(huì)抵消。公式 11和圖6所示的公式相同。數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式已選擇原邊紋波電流。如果指定D為0.6,那么原邊紋波電流為0.4 A。在數(shù)量上,TOFF占空比等于原邊紋波電流。


如何為隔離降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器?


結(jié)論

根據(jù)圖6所示的簡(jiǎn)化公式,指定原邊紋波電流等于TOFF占空比時(shí),可以更快完成設(shè)計(jì)。如果想更改原邊紋波電流或使用其他參數(shù),可以按照本教程說(shuō)明進(jìn)行操作。


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