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反激式开关电源变压器的设计研究

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反激式开关电源变压器的设计研究

发布时间：2021-12-16T06:05:52.250Z 来源：《时代建筑》2021年30期10月下 作者： 杨建民

[导读] 开关电源一直都是相对高效、节能型电源的重要代表，并且其代表着稳压电源的主要发展方向。当前阶段，单片开关电源集成电路因为其突出的优势条件，像是高性价比、高集成度与最简单外围电路等，愈发得到广泛的应用与普及，甚至逐渐发展成为了设计中、小功

率开关电源的首先选择的产品。在开关电源中，高频变压器是非常重要的部件之一，并且发挥出了传输能量、电压变换以及电气隔离的效

用。

东莞铭普光磁股份有限公司 杨建民 东莞 523000

摘要：开关电源一直都是相对高效、节能型电源的重要代表，并且其代表着稳压电源的主要发展方向。当前阶段，单片开关电源集成电路

因为其突出的优势条件，像是高性价比、高集成度与最简单外围电路等，愈发得到广泛的应用与普及，甚至逐渐发展成为了设计中、小功

率开关电源的首先选择的产品。在开关电源中，高频变压器是非常重要的部件之一，并且发挥出了传输能量、电压变换以及电气隔离的效

用。高频变压器的设计是制作开关电源的一项关键技术。本文重点介绍了反激式开关电源变压器设计的相关研究工作。

关键词：反激式；开关电源变压器；设计

引言

反激式开关电源在各类电气设备与电力系统中的应用逐渐变得更加广泛，同时有着体积较小、质量较轻与效率较高等优势条件。一般状况下，功率开关管与PWM控制器、变压器等是开关电源中非常重要的构成部分，因此也会对工作运行的实际性能效果等产生较大的影

响。其中需注意的是，变压器在电源开关中所发挥的作用主要是磁能转换、绝缘隔离、电压转换等，并且作为开关电源的重要部件，设计

的质量以及性能效果也会对开关电源的技术性能与运行使用的可靠性等产生比较直观的影响。基于此，本文就反激式开关电源的实际工作

原理作为切入点，研究了变压器设计的过程，希望可为之后相关的研究分析提供一定的借鉴参考价值。

一、基本原理

举例说明，首先想象一下下班晚高峰时候的公交站，可能会有数以千计的上班族涌入，等待坐上回家的公交。但是结果也非常明显的，并没有哪个公交站可以容纳这么多的人，那么该如何解决这一问题？简言之，可将其分批次先后上车，再多数量的人都可以分批次逐

渐离开公交站，一辆又一辆的公交车会将人群分流开来，继而达到最终的目的地。开关电源的相关工作管理同样如此，不同之处是交通系

统运输的主要是人，开关电源运输的则是能量。换言之，开关电源可以输入源源不断的能量，同时利用MOS管的开关，将其分批次输送到

输出端的位置，中间再发挥一些电感电容的作用，最终输出端也会逐渐得到平滑以及稳定的能量。基于此，不管运输的是顾客还是能量，

就旁观者的角度看来，看到的一般都是连续性的输入以及输出，使用规模较大的车辆，运输的人数较多，间隔的时间也会比较久，使用小

型车，则每次运送的人数就较少，间隔的时间总体来说也比较短。如此可知，开关电源始终工作在高频状态下，其主要目的在于减少能量

包的大小，减少储存、运输能量包所实际需要器件的实际尺寸。

二、反激式开关电源原理

反激变换器一般是低输出功率中使用较为频繁的一种开关电源电路。和其他的拓扑对比可知，反激式开关电源具备较为显著的结构简单、体积较小、成本较低与元件数量少等方面的优势，与正激式开关电源对比可知，其少了一个大的储能滤波电感以及续流二级管，在

100W以下的应用场合得到了较为广泛的应用，尤其是多路输出的一些场合中。一般每路输出都只需一个二极管与电容，输出电容器一般会直接的连到变压器二次侧，同时在MOS管关断期间当做电压源使用。基于此，合理设计反激变换器，将其用作获得高性能、小型化的多路

输出电源意义重大。并且伴随着开关电源相关需求的不断提升，反激式开关电源的体积也随之不断增大，这对于电源的实际设计与应用非

常不利。在提升开关电源频率的过程中，非常有助控制开关电源体积，但是因为反激式开关电源变压器漏感能量损耗、MOS管的硬开关导

通损耗与次级RC能量损耗等方面的因素，令效率水平无法得到提升，器件如果温度过高的话，也会令频率难以充分提升，甚至对反激式开

关电源高效率应用的场合产生一定的限制作用，并且令开关所导致的电磁干扰的相关问题也成为反激式开关电源发展中的一大重要难题。

为有效的解决此类问题，合理控制能源消耗，需积极摸索合理的应对措施。

图1.常规单端反激电路结构

三、反激式与正激式开关电源区别

正激式变压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度，对比反激式变压器开关电源明显要低很多。基于此，正激式变压器电源要求调控占空比的误差信号幅度整体而言相对较高。误差信号放大器的增效以及动态范围也相对比较大。另外，正激式变压器开关电源为有效减

少变压器的励磁电流，逐渐提升整体工作效率，变压器的伏秒值往往都取得较大，同时为有效防止变压器初级线圈产生的反电动势将开关

管击穿，正激式变压器开关电源的变压器与反激式变压器开关电源对比，明显多了一个反电动势吸收绕组。基于此，正激式变压器开关电

源的变压器的实际体积与反激式变压器开关电源相比明显体积更大。正激式变压器开关电源的显著缺陷问题之一是进行开关关断的合理控

制之时，变压器初级线圈所产生的反电动势电压与反激式电压器开关电源产生的反电动势电压相比要明显更高。一般正激式变压器开关电

源工作进行之时，控制开关的占空比一般都取在0.5左右，并且反激式变压器开关电源控制开关的占空比都取得相对比较小。具体表现为调

节的难度系数较高。

四、重要器件选型

（一）RCD吸收回路参数选型

电阻R68与电容EC11的值是相对独立的（如图2所示），如果在成本允许的条件下，电容EC11值几乎可以说是尽可能无穷大的，对降低电压纹波分量十分有效，并且一般开关频率是在70kHz—200kHz之间的反激式开关电源之中，电容EC11一般选择4nF—22nF的范围之内。若

是对可闻噪声的要求水平较高，在选择电容EC11的材质之时，需尽可能避免选择瓷片电容，主要由于瓷片电容所包含的碳酸钡的百分比相

对较高，碳酸钡作为一种非线性电介质材料，一般常温之下的压电效应相对较为显著，并且压电效应极有可能会产生相对明显的可闻噪

声。聚丙烯材质的聚酯电容可闻噪声峰值一般可能会减少4dB左右，但是体积相对比较大。并且通过专业化的调查研究分析可知，RCD吸收

回路吸收漏感而产生的电压是与电阻R68存在关系的。尽量保证二极管D2反压需求量较大，至少需将其与MOS管的最大耐压值挂上等号，不然就有可能会出现被击穿的风险系数。

图2.RCD吸收回路电路

（二）输出二极管D1选型

进行二极管D1选型之时，需考量的内容主要表现在如下几方面：首先是额定电流值。尽量保证额定电流值与平均输出电流高出大约两倍以上，同时注意考量二极管的实际温升。为促使逐渐得到相对更好的散热性以及相关效率，可以考量选择使用二极管并联，但需注意的是尽量不要超过两个。其次是峰值反向电压。VFD1=Vdc+*n+Vo，其中Vdc+为输入电压，n为变压器匝数比，Vo为输出电压，进行理论选

型的过程中，至少要降额大约80%来使用。最后是反向恢复时间。这参数的体现场景主要体现在开关电源系统工作在连续模式中，二极管

的电流并未完全的释放完，就对其进行强行关断，电流则需迅速关断，反向恢复的电流也会随之变大，因此需保证尽快恢复。但是工作处

于非连续的模式之时，二极管关断前电流就已经放完，因此不需要将其反向恢复。

（三）反馈光耦选型

次级反馈如果有初次级隔离方案，则无法与光耦相脱离。因此在进行光耦整改反馈系统中所充当的角色可以说是非常重要的，不但是光耦这一看起来非常简单的器件，实际上其电流传输所受到的环境温度与输入电流与CTR相比更大，并且通过专业的调查研究分析可知，

环境温度、正向输入电流仅改变的单一的变量，电流传输与 CTR的值相比是处于一种变化状态的。光耦的选择会对开关电源系统的稳

定应产生一定的影响，因此需令光耦厂家给予一个空调的应用电路中的If值和应用环境温度的特性曲线，之后对所有开关电源系统在环境温

度上下限工况时的稳定与可靠性进行客观的评估。

（四）开关电源芯片选型

开关电源芯片总体看来比较成熟，进行选型的时候需灵活依据设计所需要的功能进行选择，一般状况下都是系列化的，如果出现了功率不满足的状况，换一个同系列的功率相对较大的即可，空调领域中也很少会遇到超过50W的开关电源负载。但是有一点需要重点注意的

是，进行备份电源芯片选择的时候，频率对高频变压器所产生的影响，如果依据开关频率100kHz进行变压器的设计，则只能对开关频率为

100kHz以上的电源芯片进行备份，一旦出现了频率较低的问题，会令高频变压器磁芯出现较为严重的饱和方面的风险问题。一般状况下，磁通密度B不超过0.3T则认为磁芯是不饱和的。

五、反激式开关电源变压器的设计研究

依照上文对反激式开关电源的性能以及功能原理的研究分析，进行传统的反激式开关电源变压器设计过程中，涉及到的设计方式以及计算公式都十分复杂，并且涉及到的参数数量也较多，计算的过程非常的麻烦，这一程度上会对变压器设计效果与开关电源的稳压可靠性

产生一定的不良影响。基于此，可基于TOPSwitch-GX系列开关电源技术，在TOP246YN的基础上，设计分析反激式开关电源变压器。

一直以来，反激式开关电源变压器在开关电源中发挥的作用都不是单纯的储能元件，并且也是有效实现能量传递的一个重要性主体，同时在功率开关管导通的状况下，开展储能与负载段的状况下完成能量释放的动作，同时在功率开关管的效用下，逐步实现直流电向方波

的方向转变，并且在开关电源变压器中施加，利用电磁转换逐步实现所需电压的施加，逐渐通过电磁转换的方式，逐步实现所需电压的输

出。基于这一规律条件，将参数确定到输入电压是85至265V的单相交流电压、最大输出电压/电流是24V/1A、输入电源频率是50Hz、开关

工作频率是132KHz、期望工作效率是80%。基于此，首先在反激式开关电源变压器磁芯设计与选择过程中，就磁芯材料的价格与性能角度

作为切入点，考虑选择一些性价比较高的铁氧体材料，将其作为磁芯材料，并且由于有着较多的选择。因此，需依照高磁通密度应用功率

的铁氧体材料使用频率是25至200KHz之间，作为开关电源变压器磁芯状况下，高频变压器的磁芯截面积可以使用专门的公式客观的计算出

来。

基于合理的反激式开关电源变压器的设计方式，合理的验证分析变压器各参数计算获得状况的基础上，可逐渐得到满足所设置性能的指标，继而有效保障所设计变压器在反激式开关电源中的实际运行效果。总之，对反激式开关电源变压器设计进行深入的研究分析，非常

有助促使其在实际中设计应用，继而促使反激式开关电源的运行效果得到充分保证，令其性能逐渐改善的同时，发挥出非常积极的作用及

意义。

结语

综上所述，本文重点介绍了反激式开关电源的实际原理与相关重要器件的选型，不同的负载、工况对应的选型都会存在一定差异。为充分达到降低成本与提高可靠性的目的，所有的开关电源系统都需重新选型，切忌随意借用。进行初步的反激式开关电源变压器的设计。

参考文献：

[1]刘晓龙,钱炜,孙福佳. 反激式开关电源变压器的设计研究[J]. 机械工程与自动化,2015(02):200-202.

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反激式开关电源设计详解

反激式开关电源设计详解

反激式开关电源设计详解

一、工作原理

1.开关管控制：反激式开关电源中，开关管起到了关键的作用。当输入电压施加在开关管上时，开关管处于导通状态，此时电流流经变压器和输出电路，能量存储在变压器核心中。当输入电压施加在开关管上时，开关管处于截止状态，此时能量释放，通过一对二极管和电容器形成输出脉冲电流。

2.变压器作用：反激式开关电源中的变压器主要用于将输入电压转换为所需的输出电压。在导通状态下，输入电压施加在变压器的一侧，能量存储在变压器的磁场中。在截止状态下，变压器的磁场崩溃，能量释放到输出电路中。

3.输出电路过滤：输出电流通过一对二极管和电容器形成脉冲电流。为了使输出电流更加稳定，需要通过电容器对输出电流进行滤波，降低脉冲幅度，使输出电压更加平稳。

二、基本结构

1.输入滤波电路：由于输入电源通常含有较多的噪声和干扰，为了保障开关电源的正常工作，需要在输入端添加一个滤波电路，通过滤波电容和电感将输入电压的尖峰和噪声滤除。

2.开关控制电路：开关控制电路用于对开关管进行控制，使其在合适的时机打开和关闭。常见的控制方式有定时控制和反馈控制两种。 3.开关管：开关管在反激式开关电源中起到了关键的作用。常见的开关管有MOS管、IGBT管等，其特性包括导通损耗、截止损耗和开关速度等。

4.变压器：变压器用于将输入电压变换为所需的输出电压。同时，变压器还能起到隔离输入电源和输出负载的作用，保护负载。

5.输出整流滤波电路：输出整流滤波电路用于对输出电流进行整流和滤波，使输出电压更加稳定。

三、常见设计方法

1.脉冲宽度调制（PWM）控制：PWM是一种常用的反激式开关电源控制方法，通过控制开关管的导通时间来调节输出电压和电流。PWM控制能够实现较高的效率和较低的输出波纹，但需要一定的控制电路。

2.变压器匹配设计：在设计反激式开关电源时，需要合理选择变压器的匝数比，以实现所需的输入输出电压转换。同时，还需要考虑变压器的大小和功耗。

反激电源及变压器设计宝典

反激电源及变压器设计宝典

第 1 页 共 2 页 反激电源及变压器设计宝典

下面先容易讲述其工作原理：

t0时刻，MOS开通。变压器初级电流在输入电压的作用下，线性升高，升高速率为Vin/l1。变压器初级电压感应到次级，整流二极管反向截止。二极管承受反压为Vin/（NP/NS）+Vout。

t1时刻，MOS关断。 变压器初级电流被强制关断。我们知道电感电流是不能突变的，而现在MOS要强制关断初级电流，那么初级电感就会在MOS关断过程中，在初级侧产生一个感应电动势。按照电磁感应定律，我们知道，这个感应电动势在原理图中是下正上负的。这个感应电动势通过变压器的绕组耦合到次级，因为次级的同名端和初级是反的。所以次级的感应电动势是上正下负。当次级的感应电动势达到输出电压时，次级整流二极管导通。初级电感在MOS开通时储存的能量，通过磁芯耦合到次级电感，然后通过次级线圈释放到次级输出电容中。在向输出电容中转移能量的过程中，因为次级输出电容容量很大，电压基本不变，所以次级电压被箝位在输出电压Vout，那么由于磁芯绕组电压是按匝数的比例关系，所以此时初级侧的电压也被箝位在Vout/（NS/NP），这里为了简化分析，我们忽视了二极管的正向导通压降。

现在我们引入一个十分重要的概念，反射电压Vf。反射电压Vf就是次级绕组在向次级整流后的输出电容转移能量时，把次级输出电压根据初次级绕组的匝数比关系反射到初级侧绕组的电压，数值为：Vf=（Vout+Vd）/（NS/NP），式中，Vd是二极管的正向导通压降。在本例中，Vout约为20V，Vd约为1V，NP/NS=2，那么反射电压约为42V。从波形图上可以证明这一点。那么我们从原理图上可以知道，此时MOS的承受的电压为Vin+Vf。

也有伴侣注重到了，在MOS关断的时候，Vds的波形显示，MOS上的电压远超过Vin+Vf！这是怎么回事呢？这是由于，我们的这个例子中，变压器的初级有漏感。漏感的能量是不会通过磁芯耦合到次级的。那么MOS关断过程中，漏感电流也是不能突变的。漏感的电流变幻也会

反激式开关电源设计的思考(6)

反激式开关电源设计的思考(6)

反激式开关电源设计的思考六

－变压器设计实例

已知条件：

输入电压：DC:380V～700V

输出电压：1) 5V／0.5A

2) 12V／0.5A

3) 24V／0.3A

PWM控制论芯片选用UC2842，

开关频率：50KHz

效率η：80％

取样电压用12V，5V用7-8V电压通过低压差三端稳压块得到；

算得Po＝5×0.5+12×0.5+24×0.3=15.7 W

计算步骤：

1、确定变比N

N＝Np／Ns

VoR = N(VO+VD)

N＝VoR／(VO+VD)

VoR取210V

N＝210／(12+1)＝16.1 取16

2.计算最大占空比Dmax

3、选择磁芯

计划选择EE型磁芯，因此ΔB为0.2T，电流密度J取4A/mm2

Ap = AwAe = 6500×P0 / (△B×J×f)

＝2.51×103 （mm4）

通过查南通华兴磁性材料有限公司EE型磁芯参数知

通过上面计算,考虑到还有反馈绕组，要留有一定余量，最终选择EE25磁芯

EE25磁芯的Ae＝42.2mm2=4.22X10-3m2

4、计算初级匝数Np

5、初级峰值电流:Ip

6、初级电感量L

7、次级匝数

1) 、12V取样绕组Ns：

Ns＝Np/N

＝250／16

＝15.625 取16匝

2）、计算每匝电压数Te：

Te＝（Uo＋Ud）／Ns

＝（12＋1）／16

＝0.8125

3）、7.5V匝数：

N7.5V＝U／Te

＝（7.5＋0.5）／0.8125

单端反激式开关电源变压器的设计

单端反激式开关电源变压器的设计

·　５９　·Ｊａｎ．　１０，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．１　Telecom Power Technology 2021年1月10日第38卷 第1期研制开发doi：10.19399/ki.tpt.2021.01.016单端反激式开关电源变压器的设计顾伟康（国网浙江省电力有限公司 湖州供电公司，浙江 湖州 313000）摘要：文章针对开关电源变压器设计中存在公式繁多，参数计算困难等问题，提出了一种简单实用的设计方法。该方法统一了变压器工作在电流连续模式和断续模式下的计算公式，有效解决了原边电感值、线圈匝数、线径、磁芯大小等参数的设计，降低了设计难度，提高了设计效率，并给出了设计实例。关键词：开关电源；反激式变压器；参数Design of Single-Ended Flyback Transformers in Switching Power SupplyGU Weikang（Huzhou Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.，Huzhou 313000，China）Abstract：The paper puts forward a simple and practical design method for there are many issues such as various formulas，parameter calculation difficulty in switching power supply transformer. This method unified the formulas of current continuous mode and current discontinuous mode，effectively solved the original side inductance value，the number of coil turns，wire diameter，core size and so on，reduced the design difficulty，improved the design efficiency and finally gave a design example. Keywords：switching power supply；flyback transformer；parameter0 引 言这些年来，伴随电源技术的不断革新，开关电源技术正向着小巧、高频、集成化的目标迈进。单端反激式变压器以其所占体积小、造价低廉、效率较高等优势，非常合适各种功率较小的开关电源[1,2]。然而，反激式变压器的设计却仍有很多困难，铁磁内芯、电感量、间隙、绕组的匝数及绕法等等，都需要反复设计修正。此外，反激式变压器所特有的电流连续、断续两种工作形式，给其设计计算增加了难度。文本详细给出了单端反激式变压器的通用设计思路，统一了不同工作形式下的计算公式，并以设计实例加以具体说明。1 单端反激式变压器的工作原理反激式变压器的工作原理如图1所示。在开关管导通时，原边绕组电压极性上正下负，此时副边绕组感应到的电压极性为上负下正，从而二极管D1被关断。直流电压加在变压器原边绕组两端，使电感线圈中的电流线性增大。由于二极管D1反向偏置阻断了输出负载电流对变压器的影响，因此这个阶段变压器的储能随着输入电流的增加而变大，而输出电容CO提供维持负载所需的能量。在开关管关断时，输入电流消失。但因原边电感的存在，原边绕组电流无法突变，依旧保持原方向流动，导致开关管漏极输出结电容被快速充电，从而和等效电感产生高频震荡，在开关管漏极产生一个尖峰电压，使得原边绕组两端的电压极性突变为上负下正。从而副边绕组上感应为上正下负，则二极管D1导通。原边电感储存的磁能向负载传递释放。可以看出，反激式变压器在开关工作中既起变压隔离作用，又是电感储能元件。