基于TOPSwitch-GX反激式變換器的高頻變壓器的設計

摘 要:隨著電力電子技術的發展,開關電源的應用越來越廣泛。反激式變換器以其設計簡單,體積小巧等優勢,廣泛應用于小功率場合。其中,高頻變壓器承擔了傳遞功率、隔離等作用,是設計中極為關鍵的一環。介紹TOPSwich-GX系列芯片的工作原理,并以一個基于它的單輸出反激式變換器為例,詳細闡述了高頻變壓器設計的原理和步驟,對設計實踐有很好的指導意義。

關鍵詞:TOPSwitch-GX;反激式變換器;高頻變壓器;開關電源

中圖分類號:TM433 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-179-03

Design of High-frequency Transformer of Flyback Converter Based on TOPSwitch-GX

QIU Yunlan

(Fujian Electric Vocational and Technical College,Quanzhou,362000,China)

Abstract:With the development of power electronics technology,switching power supply are used more and more widely.The fly-back converter with advantages of easily designed and small volume widely applies to low-power occasions.The high-frequency transformer which is very important in the design takes the role of power transmission and isolation.The working principle of TOPSwitch-GX Family is introduced,and a single output fly-back converter based on it is taken for example to expound the principle and steps of high-frequency transformer design,which are good guides for practice.

Keywords:TOPSwitch-GX;Fly-back converter;high-frequency transformer;switching power supply

0 引 言

隨著電力電子技術的發展,開關電源以其效率高,體積小等特點逐漸取代了傳統的線性穩壓電源。開關電源的轉換器分為正激、反激、推挽、全橋和半橋五種帶變壓隔離器的基本類型[1,2]。其中,在中小功率場合,反激式DC/DC變換器應用非常廣泛,如便攜式電腦電源、POS機電源等[3]。它具有如下幾個特點:

(1) 設計簡單方便,不像正激式變換器需要磁能復位回路。

(2) 有變壓器電氣隔離,可利用變比實現升降壓,實現多路輸出,以適應功率小、電壓電流等級多的使用場合[4]。

TOPSwitch-GX系列是由美國電源集成公司生產的離線PWM開關芯片,它設計先進、功能完善,可設計輸出250 W以下的單路或多路輸出開關電源,典型應用于反激式變換器的設計中。它單片集成了功率場效應管以及完整的PWM控制電路,外圍電路簡單,使用非常靈活,設計的電源具有低成本、高效率、小尺寸的特點。

在外圍電路的設計中,高頻變壓器的設計是非常重要的一環。本文將以該系列芯片的應用為例,詳細介紹反激式變換器中高頻變壓器設計的原理和一般步驟。

1 TOPSwitch-GX的引腳介紹

圖1所示是基于TOPSwitch-GX的反激式變換器框圖。TOPSwitch-GX芯片共有6個引腳,其中D和S引腳分別連接片內功率場效應管的漏極和源極。

圖1 基于TOPSwitch-GX的反激式變換器框圖

L為線監測引腳,使用時必須串聯電阻至輸入直流電源正極。改變串聯電阻的大小,可自由匹配欠電壓門檻值、過電壓門檻值。設計變壓器時,可根據串聯電阻上流過的最小電流,查芯片手冊中的曲線圖,確定其工作的最大占空比。當L引腳與S引腳短接時,該管腳所有功能都被禁用。

F為開關頻率選擇引腳。當它與S引腳連接時,開關工作在132 kHz;而與C引腳連接時,開關工作在66 kHz,這樣也就確定了高頻變壓器的工作頻率。

X引腳用于調節外電流極限、遠程開關和同步。與L引腳類似,當它與S引腳短接時,將禁用該管腳所有功能。

輸出端電壓信號經過采樣、轉化,形成反饋電流輸入芯片的控制引腳C,再由芯片內部加工后,改變驅動功率場效應管的PWM信號,實現電流反饋控制,穩壓輸出。

在設計高頻變壓器時,必須充分考慮到TOPSwitch-GX工作頻率等參數以及外圍元件取值,這樣才能使整個開關電源更為穩定、高效地運行。

2 高頻變壓器設計的步驟

2.1 選擇磁心材料與形狀

常用于高頻磁心材料有鐵粉磁心、鐵氧體磁心和非晶-微晶合金。對于高頻變壓器而言,一般選擇高磁導率、高飽和磁感強度、低剩磁感強度、高電阻率的磁心材料。磁導率高,線圈通過不大的勵磁電流就能獲得較高的磁感應強度。飽和磁感強度大,剩余磁感強度小,使得高頻變壓器工作磁感強度有較大的取值范圍,相對減小了磁心體積。電阻率高,渦流小,磁心鐵耗小[1,5]。

在沒有特殊要求的情況下,通常選擇鐵氧體材料就可以滿足設計需要。大部分適用于高頻變壓器磁心的材料(如TDK的PC系列),居里溫度都在200 ℃以上,可以滿足絕大部分工作溫度的要求[6,7]。因此,選擇磁心主要考慮材料的初始磁導率,飽和、剩余磁感強度,電阻率以及預計工作溫度下的磁心損耗,之后考慮材料的機械特性、密度等[8]。西門子、日本的TDK以及國產的新康達都有各自的磁心系列,可以查閱手冊獲取具體參數信息。

磁心的形狀有EE,EI,PQ,POT等多種。為了降低漏感量,減小繞組間的分布電容,應選擇高瘦型的磁心(如EE,EI),并盡量減少繞線的層數。當然,還要綜合考慮設計產品的幾何尺寸要求和應用環境[9]。

2.2 利用AP法確定磁心尺寸

所謂的AP法就是求出磁心窗口面積Aw和磁心有效截面積Ae的乘積AP,根據AP值,查表找出所需磁性材料的編號[1]。

根據法拉第電磁感應定律:

U=NΔΦΔt

式中:U為電磁感應電壓;N為線圈匝數;ΔΦ/Δt為磁通隨時間的變化率。

若磁感應強度為B,則:

Φ=BAe

由于磁心有效截面積Ae不變,于是:

U=NAeΔBΔt

設工作在電流連續模式,則在開關管導通和截止時,原邊繞組和副邊繞組分別滿足下列關系:

Up=NpAeΔBonton=NpAeΔBonfsD(1)

Us=NsAeΔBofftoff=NsAeΔBofffs1-D(2)

式中:Up,Us分別為原、副邊繞組的直流電壓;Np,Ns分別為原、副邊繞組匝數;ΔBon,ΔBoff分別是開關管導通和截止時變化的磁通密度;fs為變壓器工作頻率;D為占空比。整理得:

Ae=UpDΔBonfsNp=Us(1-D)ΔBofffsNs(3)

磁心窗口面積Aw可用式(4)表示:

Aw=1Kw(NpIpJ+NsIsJ)(4)

式中:Kw為窗口使用系數;J為電流密度;Ip,Is分別為原、副邊繞組電流。

將式(3)與式(4)相乘:

AP=AeAw=1KwfsJUpIpDΔBon+UsIs(1-D)ΔBoff〗

由于ΔBon,ΔBoff在平均磁化曲線上近似相等,可以用磁心工作磁通密度ΔB表示,這樣:

AP=UpIpD+UsIs(1-D)KwfsΔBJ

式中:UpIp和UsIs近似為變換器的輸入、輸出功率,則上式可改寫為:

AP=D/η+(1-D)KwfsΔBJPo(5)

式中:Po為輸出功率;η為預設變換器效率。

根據算得的AP值,從產品手冊中選擇尺寸略大于該值磁心的型號。

2.3 計算原、副邊繞組匝數

由式(1)可知,變壓器原邊繞組匝數Np為:

Np=UpDΔBfsAe(6)

同理,副邊繞組匝數Ns為:

Ns=U′s(1-D)ΔBfsAe(7)

這里U′s要計及二極管導通電壓和副邊繞組壓降。

2.4 氣隙長度的計算

雖然磁心材料的B-H曲線斜率隨著氣隙大小變化,但帶與不帶氣隙磁心飽和磁感應強度是相同的。當有氣隙時,B-H的特征斜率減小,曲線向橫軸靠攏。可以減少剩余磁感應強度Br并增加變壓器工作范圍。當反激式變換器工作在電流連續方式下,將會產生很大的直流分量,氣隙可以有效地防止磁心飽和。

氣隙長度可以表示為[1]:

lg=μ0Np2AeLp(8)

式中:μ0是真空磁導率;Lp是原邊繞組的電感值,它由式(9)計算[10]:

Lp=1Krp-12Upmin2Dmax2ηPofs(9)

式中:Krp為原邊電流紋波與電流峰值的比值;Upmin為輸入直流電壓最小值;Dmax為最大占空比。

2.5 確定導線規格

先確定原邊繞組的紋波電流:

Ipr=Upmin DmaxfsLp(10)

則原邊電流有效值為:

Iprms=IprDmax13-Krp+1Krp2(11)

副邊電流有效值可近似表示為:

Isrms霫o1-Dmax(12)

式中:Io為設計輸出電流值。

最后根據面積公式可分別得出計算線徑:

Dw=1.13IrmsJ

副邊可根據設計要求的電流代入式(12)算出電流有效值,進而求得線徑。

根據計算線徑,可查AWG導線規格表來選定變壓器繞組線徑。

3 基于TOPSwitch-GX的單輸出反激變換器的高頻變壓器設計實例

3.1 變換器設計要求

輸入電壓:220 V±10%;輸出功率:36 V×2 A;預計轉換效率:80%。

3.2 芯片選型及基本參數的計算

根據設計要求,可以計算出變換器的輸出功率Po=36×2=72 W,輸入功率Pi=72/0.8=90 W,因此選擇輸出功率為85 W的TOP245Y。將F和S管腳連接,設定工作頻率fs=132 kHz。輸入交流電經過濾波整流,最大直流輸入電壓不超過最大交流電壓有效值的1.4倍,則Upmax=220×1.1×1.4=339 V;最小直流輸入電壓不小于最小交流電壓有效值的1.3倍,那么Upmin=220×0.9×1.3=257 V。L與輸入直流正極間接2 MΩ電阻,根據芯片手冊以及最大占空比下降曲線,可知最小電壓對應的最大占空比Dmax=57%。設計采用光耦反饋,反饋繞組電壓為12 V,設工作電流為0.2 A。

3.3 高頻變壓器的設計

3.3.1 選擇磁心型號

考慮工作頻率、剩磁以及初始磁導率等因素,選擇PC40材料,查得飽和磁感強度為0.39 T,工作磁通密度取該值的50%,ΔB=0.195 T。取D=Dmax,Kw=0.4,J=4 A/mm2代入式(5),得到AP=0.199 7 cm4。查TDK磁心規格表選取EI28,AP=0.600 5 cm4,Ae=86.00 mm2,Aw=69.83 mm2。

3.3.2 確定原副邊匝數

將最小輸入直流電壓和最大占空比代入式(6),取整后原邊匝數Np=66。考慮二極管導通電壓和繞組壓降,設副邊輸出端口1的繞組電壓Us=24+1.3=25.3 V。根據式(7),算得副邊繞組匝數Ns=5。同理,反饋繞組電壓Uf=12+0.7=12.7 V,采用式(7),可得反饋繞組匝數Nf=2。

3.3.3 計算氣隙長度

設Krp=0.8,根據式(9)可以得到原邊電感Lp=1.355 mH。再將電感值代入式(8)可得氣隙長度lg=0.35 mm。

3.3.4 確定導線規格

首先由式(10)可以得到原邊紋波電流Ipr=0.819 A,仍取Krp=0.8,代入式(11)可得原邊繞組電流有效值Iprms=0.647 A。取電流密度J=4 A/mm2,根據面積公式可得原邊繞組計算線徑Dwp=0.454 mm,故查表選擇AWG25。

最后由式(12)算出副邊電流有效值Isrms=4.65 A,副邊繞組計算線徑Dws=1.219,選擇AWG16;反饋繞組有效值Ifrms=0.47 A,反饋繞組計算線徑Dwf=0.385 mm,選擇AWG27。

4 結 語

介紹的設計方法既適用于單路輸出,也適用于多路輸出,能很好地適應輸入電壓高且波動范圍大的要求,設計的高頻變壓器滿足開關電源的電性能要求,電源的穩定性和可靠性高。

參考文獻

[1]張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社,2004.

[2]孫海峰,蔣紅梅,崔玲玲.單端反激電路中高頻變壓器的設計[J].開關電源技術,2007(10):66-68.

[3]沙占友,葛家怡,武瑞紅.單片開關電源高頻變壓器的設計要點[J].電源技術應用,2003(6):266-268.

[4]李希茜.高頻變壓器的設計[J].現代電子技術,2001,24(9):7-8.

[5]胡君臣.高頻變壓器的設計與制作[J].電氣開關,2005(1):8-13.

[6]李智華,羅恒廉,許尉滇.高頻變壓器繞組交流電阻和漏感的一維模型[J].電工電能新技術,2005(4):55-59.

[7]黎健榮.開關電源中的高頻變壓器設計[J].機械與電子,2007(29):89-101.

[8]李智華,羅恒廉,張青春,等.繞組交叉換位對高頻變壓器參數影響的分析[J].高電壓技術,2008(11):2 453-2 458.

[9]陳保國,龐志鋒,李向榮.開關電源高頻變壓器的設計[J].河北工業科技,1999(2):10-13.

[10]胡江毅.反激變換器的應用研究[D].南京:南京航空航天大學,2003.

作者簡介

邱云蘭 女,1965年出生,福建福清人,副教授。研究方向為自動化與電工技術應用。