【導(dǎo)讀】反激式變換器會(huì)用到較多的電感元器件，因此在討論設(shè)計(jì)之前先簡單地介紹一下磁性元器件的基本知識(shí)，接著將討論離線式反激變換器的電路元件參數(shù)選取和變壓器設(shè)計(jì)，由于內(nèi)容較多，變壓器的設(shè)計(jì)下期將為大家詳細(xì)講解。
在學(xué)習(xí)了前兩章作者獨(dú)創(chuàng)的反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算以后，不知道對(duì)大家有沒有幫助呢？下面我們就繼續(xù)跟著作者學(xué)習(xí)吧！
4.磁芯電感器的基本知識(shí)
反激式變換器會(huì)用到較多的電感元器件，因此在討論設(shè)計(jì)之前我們簡單地介紹一下磁性元器件的基本知識(shí)。選擇電感器時(shí)，我們經(jīng)常提到電感的飽和電流，首先我們看一下什么是電感飽和電流。
圖十：環(huán)形線圈示意圖
如圖十所示的環(huán)形線圈，假設(shè)線圈匝數(shù)為N匝，流入電流I，那么根據(jù)安培環(huán)路定律，以圖中r為半徑對(duì)磁場強(qiáng)度進(jìn)行積分可得：
不難看出，磁場強(qiáng)度正比于電感電流，反比于磁路長度。又因?yàn)榇艌鰪?qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度B(也可以叫做磁通密度)存在如下關(guān)系：
往期回顧：
大牛獨(dú)創(chuàng)：反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算
http://www.nong365.cn/power-art/80021928
大牛獨(dú)創(chuàng)（二）：反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算
http://www.nong365.cn/power-art/80021936
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其中μ0和μr分別為空氣磁導(dǎo)率和介質(zhì)磁導(dǎo)率。所以當(dāng)電流增大時(shí)，電感內(nèi)部的磁場強(qiáng)度增大，如果想對(duì)磁導(dǎo)率保持不變的話，磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)隨之增大。對(duì)于開關(guān)電源中的電感器件，一般都是帶有磁芯材料的，對(duì)于一般的磁芯材料，對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁通密度)的大小有一定的限制，當(dāng)材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度增大到一定值后，磁感應(yīng)強(qiáng)度不再隨磁場強(qiáng)度增加而增加，可以看做相對(duì)磁導(dǎo)率μr不為常量，我們把此時(shí)的情況叫做磁芯飽和。
為了防止磁芯進(jìn)入飽和，我們必須將磁芯中才磁感應(yīng)強(qiáng)度限定在一定的范圍內(nèi)，另外，考慮到磁芯的損耗也與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小成正相關(guān)關(guān)系，所以又進(jìn)一步減小了磁感應(yīng)強(qiáng)度的選取范圍。對(duì)于通常的鐵氧體磁芯，我們一般選擇工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1600G(即0.16T)。
根據(jù)磁通量、磁鏈的定義以及相關(guān)關(guān)系，我們有如下公式：
其中φ表示截面積為A的磁芯中的磁通量，ψ表示磁鏈，N表示線圈匝數(shù)。從上面的關(guān)系式可以得出：
不難看出，當(dāng)要求的電感量一定時(shí)，減小磁芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法有兩種：增加線圈匝數(shù)或增大磁芯截面積(即選用更大尺寸的磁芯)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，增加線圈的匝數(shù)一方面可能導(dǎo)致磁芯無法容納所有繞組，另一方面會(huì)導(dǎo)致電感的內(nèi)阻增加，線圈損耗增加，從而不得不增加線徑，使得磁芯容納繞組更加困難。所以在選擇磁芯時(shí)，需要同時(shí)考慮磁芯截面積Ae和磁芯的窗口面積Aw。常見的經(jīng)驗(yàn)公式中，一般選取Ae和Aw的乘積Ap作為選擇磁芯的標(biāo)準(zhǔn)。
5.離線式反激式變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本節(jié)將討論離線式反激變換器的電路元件參數(shù)選取和變壓器設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹變壓器的設(shè)計(jì)。
5.1保險(xiǎn)絲和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻
反激式變換器的輸入端通常串聯(lián)保險(xiǎn)絲盒一個(gè)標(biāo)稱阻值幾歐到幾十歐的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，保險(xiǎn)絲的作用顯而易見，在電路出現(xiàn)短路或者過流時(shí)，為整個(gè)電路提供最后一道保護(hù)屏障。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻則在電路啟動(dòng)時(shí)起到了減小浪涌電流的作用。當(dāng)輸入端接通電源時(shí)，對(duì)于沒有PFC功能的電路，輸入濾波大電容將造成輸入端出現(xiàn)大的浪涌電流，接入NTC后，由于啟動(dòng)瞬間NTC溫度較低，阻值較大，有效抑制了浪涌電流。隨著電源的工作，NTC流過電流發(fā)熱，阻值減小，NTC造成的線電壓損耗也隨之降低。
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由于保險(xiǎn)絲和熱敏電阻都屬于阻性元件所以選取時(shí)根據(jù)有效值電流計(jì)算。例如圖七所示的電路中，輸出5V/2A，預(yù)估效率75%，我們首先計(jì)算出電源輸入端的最大有效值電流：
那么，我們選擇保險(xiǎn)絲的時(shí)候，要求額定電流大于這個(gè)值，考慮到浪涌電流對(duì)保險(xiǎn)絲壽命的影響，我們通常選擇額定電流比這個(gè)值大數(shù)倍的保險(xiǎn)絲。另外需要注意的是保險(xiǎn)絲的額定電壓，如果選擇的保險(xiǎn)絲額定電壓低于電源最高輸入電壓，可能造成保險(xiǎn)絲的兩極之間出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。例如圖六中選擇了1A/250V的保險(xiǎn)絲。
對(duì)于熱敏電阻，我們首先需要了解穩(wěn)定情況下的阻值，然后根據(jù)阻值和最大有效值電流得出電阻上的功耗，最后選取額定功率大于計(jì)算值的電阻。對(duì)于小功率的開關(guān)電源，通常省去了熱敏電阻。
5.2共模電感和安規(guī)X電容的選取
共模電感和安規(guī)X電容一起組成了共模濾波器。在開關(guān)電源中，這兩者的參數(shù)相對(duì)變化較小。對(duì)于共模濾波器電感，電感量在幾mH到幾十mH，一般情況下，功率越大時(shí)，共模電感的電感量越小。安規(guī)X電容恰恰相反，功率越大時(shí)，該電容的容量通常越大。安規(guī)Y電容的容量一般在100nF到幾百nF。
共模電感和安規(guī)X電容的具體參數(shù)很難通過公式計(jì)算，通常應(yīng)用中，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值大概確定電感量和電容量的大小，然后在測試者對(duì)參數(shù)調(diào)整。共模電感選取的另一個(gè)要點(diǎn)是保證輸入電流不會(huì)導(dǎo)致磁芯的飽和。對(duì)于成品化的共模電感，可以提供輸入功率等參數(shù)進(jìn)行選購。
5.3輸入整流二極管的選擇
市電輸入一般為50Hz或60Hz的工頻信號(hào)，輸入整流二極管一般為高壓PiN二極管，因此二極管的功耗主要是導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通損耗等于二極管的正向壓降與正向平均電流的乘積，對(duì)于交流正弦輸入和全橋整流的應(yīng)用，平均二極管電流等于有效值電流乘以正弦因子，計(jì)算公式如下：
所以理論上計(jì)算得到所需的二極管最大整流電流只需大于75mA。但是考慮到額定電流更大的二極管發(fā)熱更低，并且在大的輸入濾波電容作用下，流過整流二極管的電流波形為尖脈沖，為了增加二極管的壽命和可靠性，通常選擇額定電流遠(yuǎn)大于計(jì)算所得到的最大平均電流。整流二極管的另一個(gè)重要參數(shù)是最大反向工作電壓，橋式整流中，二極管承受的最大反向電壓即市電輸入最高電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，為了安全起見，一般選擇最大方向工作電壓為市電最高輸入電壓2倍的二極管。圖七所示的電路中選取了1A/600V的整流橋。
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5.4輸入濾波電容的選取
輸入濾波電容使整流后的半正弦信號(hào)變?yōu)橄鄬?duì)平坦的直流電，電容量的大小決定了直流的平坦度。假設(shè)充放電階段電容上的電壓都是線性變化的，我們可以得到圖九所示的波形。一個(gè)周期內(nèi)，在AB段，市電通過整流二極管向電容充電，電容上的電壓上升，在BC段，電容向后級(jí)負(fù)載放電，電容上的電壓下降。電容上的電壓周期性地波動(dòng)，周期為工頻周期的一半。
圖九：電容上的直流電壓波形
輸入濾波電容上的電壓即變換器的輸入電壓，為了較為準(zhǔn)確地得到變換器輸入直流電壓的范圍，我們需要計(jì)算電容上電壓的波動(dòng)值。我們假設(shè)一個(gè)周期內(nèi)電容的充電時(shí)間為Tch，并且規(guī)定充電時(shí)間占周期時(shí)長的百分比Dch，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，Dch一般取0.2到0.3，我們得到如下的計(jì)算過程：
其中，I表示電容后接負(fù)載的平均電流，在電容上電壓波動(dòng)不大的情況下，我們通過下式估算：
其中Pin為反激變換器的輸入功率，等于輸出功率與系統(tǒng)效率的比值。最后我們得到電容上電壓波動(dòng)范圍計(jì)算式如下：
其中fin表示工頻頻率，50或60Hz，η為系統(tǒng)的效率。從上面的計(jì)算可以看出，變換器輸入直流電壓的波動(dòng)正比于輸入功率，反比于輸入電容容量。對(duì)于離線式反激式變換器，一般按照每W輸出功率2—3μF選取輸入濾波電容。在確定輸入濾波電容容量后，就可以得到變換器的輸入直流電壓范圍。例如，對(duì)于圖七所示電路，輸入85V—265V交流市電，預(yù)估效率為0.75，取Dch=0.2，得到如下計(jì)算結(jié)果：
變壓器是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，因此講述的內(nèi)容較多，下期將為大家詳細(xì)講解。
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