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、chengbenyuxiaolvbi。fanjishibianhuanqidecaozuojiyuouhedianganqi，tashixianledianyuanzhuanhuan
，tongshihaikeyigelibianhuanqideshuruheshuchu。ouhedianganqihaizhichiduogeshuchu，zheshifanjishibianhuanqichengweiduozhongyingyongdelixiangxuanze。

 

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

 

xiayibushibianyaqidesheji。bianyaqixuanxingxuyaozuochuxuduoshejijuece，lirucixincailiaohecixinxingzhuangdexuanze。meizhongxuanzedouyouqitedingdeyoushi，zaibenlizhong，womenxuanyonglechangjiandeshuangE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

 

設(she)計(ji)流(liu)程(cheng)的(de)最(zui)後(hou)一(yi)步(bu)是(shi)找(zhao)到(dao)合(he)適(shi)的(de)緩(huan)衝(chong)器(qi)值(zhi)。緩(huan)衝(chong)電(dian)路(lu)有(you)助(zhu)於(yu)減(jian)輕(qing)開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)的(de)電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)，這(zhe)些(xie)尖(jian)峰(feng)是(shi)由(you)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)漏(lou)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)路(lu)中(zhong)雜(za)散(san)電(dian)容(rong)之(zhi)間(jian)的(de)振(zhen)鈴(ling)而(er)導(dao)致(zhi)。如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)緩(huan)衝(chong)器(qi)，電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)會(hui)增(zeng)大(da)噪(zao)聲(sheng)，甚(shen)至(zhi)會(hui)導(dao)致(zhi)MOSFET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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