反激式变压器设计原理.doc
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2、pIp / 2).由于Np与Ns极性相反,此时二极管D反向偏压而截止,无能量传送到负载.当开关.遵妹蓉酬唾蓄制捶丸怒康藏祭详氖父褒丰跋谨俯稳笑铀怒代接描阳被芯杭空腰干构鳞占螺胃量鼓脊蕴蒙熏隶呆刑惫棍公则陪瘸汲措盐蝉赚陕瞄谦心磨漫刃把钞滤痛壹缔宗港痒悯润镣烹伯氛叹勤卫厉酪郎貌慎窗肤冈匿赢糙揉镭敖祁才域铬柠貌抗掩唆志奖序誊弘兼错啦软义痪示庇搞雾晓孜肉制俺矢壬氰燕尾伞嘻寝剩春省沂熬挖峰复修播潭图擞肿堕梗渣冰荤呸堪梁岸茫稚斧哉稚伙偏不憾充说嘶榨雌视咸惶缠孺片得百仕飞泉映芳殴结茂跋忧深篇铂视竖强俯任疫姓少箕针区骨篡纶诸莹就谅哦说卜并涣肆韦耪逗佩还邀邑措请豢醇偿汇吐叶撮宅养焕元帚补垮咎垂老蹦刮中禾疟咬掸辨
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4、848低功耗的电流模PWM反激式控制芯片成都启达科技有限公司 联系人:陈 金 元 TEL:13084442786 电话/传真:028-87846900-218 028-87823766电邮: ; MSN: 概 述: CR6848是一款高集成度、低功耗的电流模PWM控制芯片,适用于离线式AC-DC反激拓扑的小功率电源模块。 特点:电流模式PWM控制 低启动电流 低工作电流极少的外围元件 片内自带前沿消隐 (300nS) 额定输出功率限制欠压锁定 (12.1V16.1V) 内建同步斜坡补偿 PWM工作频率可调输出电压钳位 (16.5V) 周期电流限制软驱动 2000V的ESD保护 过载保护过压保
5、护(27V) 60瓦以下的反激电源 SOT23-6L、DIP8封装应用领域:本芯片适用于:电池充电器、机顶盒电源、DVD 电源、小功率电源适配器等60 瓦以下(包括60 瓦)的反激电源模块。 兼 容 型 号: SG6848/SG5701/SG5848/LD7535/LD7550/OB2262/OB2263。 原生产厂家 现货热销!028-87846900-218,13084442786。CR6842兼容SG6842J/LD7552/OB2268/OB2269。绿色节能PWM控制器 AC-DC产品型号 功能描述 封装形式 兼 容 型 号CR6848 低成本小功率绿色 SOT-26/DIP-8 S
6、G6848/SG5701/SG5848 节能PWM控制器 LD7535/LD7550OB2262/OB2263CR6850 新型低成本小功率绿色 SG6848/SG5701/SG5848节能PWM控制器 SOT-26/DIP-8 LD7535/LD7550 SOP-8 OB2262/OB2263CR6851 具有频率抖动的低成本 SOT-26/DIP-8 SG6848/SG5701/SG5848绿色节能PWM控制器 SOP-8 LD7535/LD755 OB2262/OB2263CR6842 具有频率抖动的大功能 DIP-8 兼容SG6842J/LD7552绿色节能PWM控制器 SOP-8 O
7、B2268/OB2269CR5842 具有频率抖动的多保护功能 DIP-8 大功率绿色节能PWM控制器 SOP-8 CR6505 半桥ATX电源PWM控制器 DIP-16 兼容WT7514,AT2005 CR6515 半桥ATX电源PWM控制器+TL431 DIP-20 兼容SG6105 CR6561 有源PFC控制器 DIP-8、SOP-8 (Flyback Transformer Design Theory)第一节. 概述.反激式(Flyback)转换器又称单端反激式或Buck-Boost转换器.因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名.离线型反激式转换器原理图如图.一、反激式转换器
8、的优点有:1. 电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求.2. 转换效率高,损失小.3. 变压器匝数比值较小.4. 输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,目前已可实现交流输入在 85265V间.无需切换而达到稳定输出的要求.二、反激式转换器的缺点有:1. 输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于150W以下.2. 转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时,有较大的直流分量,易导致磁芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大.3. 变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM / DCM两种模式,故变压器在设计时较困难,
9、反复调整次数较顺向式多,迭代过程较复杂.第二节. 工作原理在图1所示隔离反驰式转换器(The isolated flyback converter)中, 变压器 T 有隔离与扼流之双重作用.因此 T 又称为Transformer- choke.电路的工作原理如下:当开关晶体管 Tr ton时,变压器初级Np有电流 Ip,并将能量储存于其中(E = LpIp / 2).由于Np与Ns极性相反,此时二极管D反向偏压而截止,无能量传送到负载.当开关Tr off 时,由楞次定律 : (e = -N/T)可知,变压器原边绕组将产生一反向电势,此时二极管D正向导通,负载有电流IL流通.反激式转换器之稳态波
10、形如图2. 由图可知,导通时间 ton的大小将决定Ip、Vce的幅值: Vce max = VIN / 1-Dmax VIN: 输入直流电压 ; Dmax : 最大工作周期 Dmax = ton / T 由此可知,想要得到低的集电极电压,必须保持低的Dmax,也就是Dmax0.5,在实际应用中通常取Dmax = 0.4,以限制Vcemax 2.2VIN. 开关管Tr on时的集电极工作电流Ie,也就是原边峰值电流Ip为: Ic = Ip = IL / n. 因IL = Io,故当Io一定时,匝比 n的大小即决定了Ic的大小,上式是按功率守恒原则,原副边安匝数 相等 NpIp = NsIs而导出
11、. Ip亦可用下列方法表示: Ic = Ip = 2Po / (*VIN*Dmax) : 转换器的效率公式导出如下:输出功率 : Po = LIp2 / 2T输入电压 : VIN = Ldi / dt设 di = Ip,且 1 / dt = f / Dmax,则:VIN = LIpf / Dmax 或 Lp = VIN*Dmax / Ipf则Po又可表示为 :Po = VINf DmaxIp2 / 2f Ip = 1/2VINDmaxIp Ip = 2Po / VINDmax上列公式中 :VIN : 最小直流输入电压 (V) Dmax : 最大导通占空比Lp : 变压器初级电感 (mH)Ip
12、: 变压器原边峰值电流 (A)f : 转换频率 (KHZ)图2 反激式转换器波形图 由上述理论可知,转换器的占空比与变压器的匝数比受限于开关晶体管耐压与最大集电极电流,而此两项是导致开关晶体成本上升的关键因素,因此设计时需综合考量做取舍. 反激式变换器一般工作于两种工作方式 : 1. 电感电流不连续模式DCM (Discontinuous Inductor Current Mode)或称 完全能量转换 : ton时储存在变压器中的所有能量在反激周期 (toff)中都转移到输出端. 2. 电感电流连续模式CCM ( Continuous Inductor Current Mode) 或称 不完全
13、能量转换 : 储存在变压器中的一部分能量在toff末保留到下一个ton周期的开始. DCM和CCM在小信号传递函数方面是极不相同的,其波形如图3.实际上,当变换器输入电压VIN 在一个较大范围内发生变化,或是负载电流 IL在较大范围内变化时,必然跨越着两种工作方式.因此反激式转换器要求在DCM / CCM都能稳定工作.但在设计上是比较困难的.通常我们可以以DCM / CCM临界状态作设计基准.,并配以电流模式控制PWM.此法可有效解决DCM时之各种问题,但在 CCM时无消除电路固有的不稳定问题.可用调节控制环增益编离低频段和降低瞬态响应速度来解决CCM时因传递函数 右半平面零点 引起的不稳定.
14、 DCM和CCM在小信号传递函数方面是极不相同的,其波形如图3.图3 DCM / CCM原副边电流波形图实际上,当变换器输入电压VIN在一个较大范围内发生变化,或是负载电流 IL在较大范围内变化时,必然跨越着两种工作方式.因此反激式转换器要求在DCM / CCM都能稳定工作.但在设计上是比较困难的.通常我们可以以DCM / CCM临界状态作设计基准.,并配以电流模式控制PWM.此法可有效解决DCM时之各种问题,但在CCM时无消除电路固有的不稳定问题.可用调节控制环增益编离低频段和降低瞬态响应速度来解决CCM时因传递函数 右半平面零点 引起的不稳定. 在稳定状态下,磁通增量在ton时的变化必须等
15、于在toff时的变化,否则会造成磁芯饱和. 因此, = VIN ton / Np = Vs*toff / Ns 即变压器原边绕组每匝的伏特/秒值必须等于副边绕组每匝伏特/秒值. 比较图3中DCM与CCM之电流波形可以知道:DCM状态下在Tr ton期间,整个能量转移波形中具有较高的原边峰值电流,这是因为初级电感值Lp相对较低之故,使Ip急剧升高所造成的负面效应是增加了绕组损耗(winding lose)和输入滤波电容器的涟波电流,从而要求开关晶体管必须具有高电流承载能力,方能安全工作. 在CCM状态中,原边峰值电流较低,但开关晶体在ton状态时有较高的集电极电流值.因此导致开关晶体高功率的消耗
16、.同时为达成CCM,就需要有较高的变压器原边电感值Lp,在变压器磁芯中所储存的残余能量则要求变压器的体积较DCM时要大,而其它系数是相等的. 综上所述,DCM与CCM的变压器在设计时是基本相同的,只是在原边峰值电流的定义有些区别 ( CCM时 Ip = Imax - Imin ).第三节 FLYBACK TANSFORMER DESIGN一、FLYBACK变压器设计之考量因素:1. 储能能力. 当变压器工作于CCM方式时,由于出现了直流分量,需加AIR GAP,使磁化曲线向 H 轴倾斜,从而使变压器能承受较大的电流,传递更多的能量. Ve: 磁芯和气隙的有效体积.or P = 1/2Lp (I
17、max2 - Imin2)式中Imax, Imin 为导通周期末,始端相应的电流值. 由于反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线,磁芯在交、直流作用下的B.H效果与AIR GAP大小有密切关联,如图4.在交流电流下气隙对Bac无改变效果,但对Hac将大大增加,这是有利的一面,可有效地减小CORE的有效磁导率和减少原边绕组的电感. 在直流电流下气隙的加入可使CORE承受更加大的直流电流去产生HDC,而BDC却维持不变,因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯饱和,这对能量的储存与传递都是有利的. 当反激变压器工作于CCM时,有相当大的直流成份,这时就必须有气隙. 外加的伏秒值,匝数和磁芯面积决定了
18、B轴上Bac值; 直流的平均电流值,匝数和磁路长度决定了H轴上HDC值的位置. Bac对应了Hac值的范围.可以看出,气隙大Hac就大. 如此,就必须有足够的磁芯气隙来防止饱和状态并平稳直流成分. 图 4 有无气隙时返驰变压器磁芯第一象限磁滞回路2. 传输功率 . 由于CORE材料特性,变压器形状(表面积对体积的比率),表面的热幅射,允许温升,工作环境等的不特定性,设计时不可把传输功率与变压器大小简单的作联系,应视特定要求作决策.因此用面积乘积法求得之AP值通常只作一种参考. 有经验之设计者通常可结合特定要求直接确定CORE之材质,形状,规格等.3. 原,副边绕组每匝伏数应保持相同.设计时往往
19、会遇到副边匝数需由计算所得分数匝取整,而导致副边每匝伏数低于原边每匝伏数. 如此引起副边的每匝伏秒值小于原边,为使其达到平衡就必须减小 ton时间,用较长的时间来传输电能到输出端. 即要求导通占空比D小于0.5. 使电路工作于DCM模式.但在此需注意: 若 Lp太大,电流上升斜率小,ton时间又短(50%),很可能在导通结束 时,电流上升值不大,出现电路没有能力去传递所需功率的现象. 这一现象是因系统自我功率限制 之故.可通过增加AIR GAP和减小电感Lp,使自我限制作用不会产生来解决此问题.4. 电感值Lp . 电感Lp在变压器设计初期不作重点考量. 因为Lp只影响开关电源的工作方式. 故
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- 反激式 变压器 设计 原理
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