2.1 反激电源变压器 (1)

各位大家好 我是 我们现在开始要讲 精通反激电源设计的关键 反激电源的设计最关键的就是 在于开关电源的变压器 为什么最关键的是反激电源的变压器呢 我们从这个电路上简单可以看到 黄颜色的部分是简单的反激电源变压器 原边有主绕组 辅助绕组 有输出绕组三部分 一般的反激电源还会有很多的输出绕组 比如有 +5V ±12V等等 为什么讲反激电源变压器的设计 是反激电源设计里面最关键的呢 从这个右边这部分的 变压器设计输出都可以看到 反激电源变压器我们的设计计算最终的目的 我们是想得到什么呢 想得到这几个方面 第一个是原边和副边的电流的波形 第二个是原边和副边的电压的波形或者电压幅值 除此之外 我们掌握了电压电流输入输出的关系以外 还想知道我们选择磁芯是不是饱和了 是不是磁通密度不是很高 或者说磁通 ΔB 不是很高 也就是说我们磁芯的损耗是多少 除此之外因为我们知道了电流波形 那么我们也可以算出 这个反激电源的 原边和副边分别的电流密度 由此来表征温升到底高还是不高 那么也就是下面讲的变压器的损耗可以算出来 那么变压器的温升大致得能推算出来 除此之外 其实还有两个非常重要的因素 一个就是耦合系数 还有就是绕组 EMI 相关的耦合性 耦合系数我们可以这么去理解 我们假设原边主绕组和副边主绕组 两个耦合度不好 那不好会产生什么变化 不好实际上是从原边看进去主绕组 除了励磁电感以外还有一个漏感 那么也就是在场效应管 Q1 关闭的一瞬间 电流达到最大 那么这个电流自然除了通过励磁电感以外 也通过了漏感 也就是在漏感里面建立了能量 这部分能量在 Q1 关闭之后 励磁电感建立起来储存的能量 这部分会通过副边电感释放出去 也就是等于形成了输出电流 原边漏感形成的能量跟副边没有关系 所以都会在原边的回路里面转圈 这个电流 那么实际上就是给 C5 充电 最终形成一个 C5 的电压 C5 越大 漏感越大 C5 形成之后 可能会变高 取决于 R1 这个 R1 如果阻值太高了 那么它这个能量不容易消耗掉 那么这一点 C5 的电压嵌位就会变得更高 那么很容易产生 VDS 这个电压的尖刺会很高 所以控制变压器原副边的耦合系数 就是耦合度越好 那么原边看进去漏感越小 也就是这个能量越小 所以越接近于理想的状态 那么这部分吸收的能量会越少 所以这是我们非常希望得到的 还有一方面就是 虽然这边画了一个副边的线圈 实际上电源有两个有三个有好几个的副边线圈 副边的线圈比如 5V 和 ±12V 可能有的工程师会知道 我把 5V 也就是假设电流作为主绕组 我把功率一拉大 你就会发现 12V 也好 -12V 也好 或者其它绕组电压会往上升 总之就是这两个耦合系数不好的话 副边之间的耦合系数不好的话 会形成很差的电压调整率 这也是我们所不希望的 所以我们在设计反激电源变压器计算之后 实际上我们排线或者说控制方面 这是非常重要的一个因素 还有一个就是 EMI 相关 那么一会儿我会来讲 EMI 相关是怎么相关法 跟我们耦合的关系 得到了变压器的设计输出量 实际上我们仅仅看到的是变压器本身 其实我刚才前面讲过 我说我们通过一个变压器的设计 我们其实还要得到 比如说我们输入的电容到底选取什么 这个管子的耐压和电流到底设定在什么范围 包括输出的二极管 D3 耐压和电流 还有 C7 这个电容怎么选取容量 够不够等等 纹波够不够等等 都是从这里头能够推导出来的 这也就是说左边看变压器设计的关键性 在哪里呢 除了变压器本身电参数以外 实际上通过电流我们可以求得 原副边器件选取合理化 也就是我们知道它的电流波形也就知道 选取多大的管子会比较好 或者耐压多少伏为好 这也就为我们主电路器件的降额设计 提供了依据 比如工作在多少的降额之内 那么 EMC 的控制和优化 这个也会以后会讲 还有就是电源的效率 比如我们变压器的损耗是多少 如果虽然变压器损耗不大 但是我们把电流搞得很高电压很高 那引起开关损耗也很厉害 这个都是跟它相关的 那么当然 刚才讲的多路输出的调整率的改善等等 这中还有一个成本的控制 因为我们都非常关心成本 所以说合理地去设定电流的波形 和电压的波形 对我们选取比较有利的量产性 就是我们采购得非常方便 而且使用规模非常大 而且这个器件比较便宜 或者是效率会比较高的器件 我们就会有的放矢的去选择 这个成本的控制还有量产的一致性等等 都会带来很多的好处 所以说我们通过一个变压器的设计 变压器的优化和调整 我们可以把原副边的状态建立到最佳状态 是一个你非常希望的状态 那么某种意义上来讲 可以说我们这一个反激电源变压器的设计 就是一个牵一发动全身 那么所有的要素 那么所有的要素 都集中在这个反激电源变压器上了 那么所以我讲 我们反激电源的设计 最关键就在于这个变压器设计 变压器设计其实我们有很多结果 比如说可以选的电容量大一点 也可以小一点 匝数 变比都可以调整 都是能用的 并不是不能用 但是能用对整体电路的平衡可能不是最优化的 那么我们这个培训里头 其实我们后面就会讲到怎么去做才能最优化 讲到这里 我想还要补充几个方面的内容 一个就是刚才看到的这个画面 就是我们这边左上角这一块 实际上就是一个简单的反激电源的模型 我们不管它工作在 CCM 模式也好 DCM 模式也好 底下我只是拿这一个例子 一个连续模型的一个波形作为来举例 我们看到右边这个图 这个图实际上就是比如说 原边的场效应管的电流波形 就是这一部分相当于一个梯形波电流波形 这一部分就是关闭的时候电流波形 这个副边是电流就是斜着往下降这样的过程 我们从这一个几何图形 我们可以看到有这么一些关系 我们按照我们直流分量的定义 或者平均值的定义 平均值就是得到了一个直流分量 有效值我们也可以用定义用积分的方式 把它求起来求它的有效值 那么就是说如果假定这个几何波形 有占空比 有 IP1 就是第一个点的电流值 第二个点电流值 那么它实际上有个变化是 ΔI 这样一个周期性电流波形 这样一个周期性电流波形 我们从几何定义角度 我们可以得到 IDC 等于这么一个公式 IAC 是交流成分这个公式 I 是一个有效值 其实从这个几何波形 我们学过高等数学 那么我们做它的平均值的时候 定义这就是 IDC 有效值就是 I 知道了 I 和 IDC 其实我们交流分量 就是按照上面这个公式是有效值的平方等于 直流分量的平方加上交流分量的平方 那自然就可以求出交流分量