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/j.cnki.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。

图1 单端反激式变压器原理图2 单端反激式变压器的设计单端反激式变压器设计流程图如图2所示。根据下面步骤设计合适的变压器。2.1 确定系统要求Vacmax，Vacmin，Umax，Umin，Vo，Po，η等参数值的确定。Vacmax，Vacmin：交流输入电压最大值和最小值。收稿日期：2020-12-02作者简介：顾伟康（1989-），男，浙江长兴人，硕士，工程师，主要研究方向为电机与电气。 2021年1月10日第38卷 第1期Ｊａｎ．　１０，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．１　Telecom Power Technology

·　６０　·建议的交流输入范围如表1。表1 建议的AC输入范围输入（VAC）Vacmin（VAC）Vacmax（VAC）宽电压范围85265230或115倍压整流195265Umax，Umin：整流滤波后的直流电压最大值和最小值。Vo，Po：输出电压和功率。η：电源效率，如果没有更好的参数依据，可设为0.8。2.2 确定最大占空比（Dmax）最大占空比为： maxminORORDSVDVUVI （1）式中，VOR为反射电压，VDS为topswitch导通时的漏源平均电压。其中，开关管耐压要大于反射电压加输入电压之总和，显然还需有一定的设计裕度。对于topswitch器件，VOR一般为75~140 V，太小了占空比低效率低，太大了容易击穿开关管。从实际情况考虑，VDS应设在10 V，它会略微增加Dmax。2.3 确定原边脉动电流IR和峰值电流IP的比例因 素Kap ORRapPVIKI （2）在电流连续模式下Kap＜1，电流断续模式下Kap＞ 1。依据以往设计经验，Kap在宽、窄电压输入时分别取值0.4~1和0.6~1。2.4 确定原边电流平均值、峰值和有效值知道最大占空比Dmax和电流比例因素Kap之后，易得原边电流的波形，从而可以计算出平均电流IAVG，峰值电流IP和有效值电流IRMS，计算公式分别如下： minPOAVGIPIUη （3） min2max1-AVGPKapUIIDη （4） 22max31-1apKRMSPMAXapDIIDK （5）2.5 确定Ae、Le、AL、BW等的参数值利用表2根据fs和Po选择磁芯和骨架，再从磁芯和骨架的数据手册中查得Ae、Le、AL、BW等的参数值。Ae：磁芯等效截面积；Le：磁芯等效磁路长度；AL：磁芯无气隙的等效电感量；BW：骨架宽度。根据fs和Po以及变压器结构类型选择磁芯和骨架，如表2所示。2.6 确定原边电感量原边电感量为： 62222max11012OPKapRRPSininSZPLIKfVDPfηηη （6）式中：Z为损耗分配因素，fs为开关频率。2.7 确定原边绕组匝数在断续电流工作模式下，由电磁感应定律可以推出： 4minmaxmaxmax210inSPPeSePfLIUDNBAfBAUVD （7）式中，Np为原边绕组匝数，Bmax为磁芯饱和磁通密度。2.8 确定副边绕组匝数和偏置绕组匝数 maxmaxminmaxmax1eSeDSPSODBAfBAUVDNNVVDVV （8）确定系统要求确定最大占空比确定原边电流参数选择磁芯计算原边电感量计算原边绕组匝数计算各输出绕组匝数确定绕组线径确定气隙长度验证窗口面积是否符合是否更换磁芯NYN设计完成Y

图2 反激式变压器设计流程图 2021年1月10日第38卷 第1期

·　６１　·Telecom Power TechnologyＪａｎ．　１０，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．１　顾伟康：单端反激式开关电源 变压器的设计

ODBBDBSODVVVVNNVVN （9）式中，Ns为副边绕组匝数，NB为偏置绕组匝数，VD为输出二极管正向电压，VBD为偏置二极管电压。2.9 确定副边电流峰值和有效值 ODPSPPSVVNIIN （10） 23max11PSKSRMSSPPNIIDK （11）式中，Isp为副边电流峰值，ISRMS为副边电流有效值。2.10 确定原副边的导线线径和绕线方式导线的最小线径可以从电流密度定义中求出： 12jIIDIDKπ （12）式中，D为导线直径，为电流密度，一般取4~6 A/mm2。2.11 确定气隙宽度Lg设计变压器时，为了防止磁饱和，应将一个合适的气隙置于磁回路中，计算公式如下： 240100jpgeKNLAππ10pLLA （13）式中：Lg单位为mm，Ae单位为cm2，AL单位为 nH/N 2，单位为μH。至此，单端反激式变压器的主要参数已经全部设计完成。3 设计实例本文设计的反激式变压器主要参数：输入 AC 230 V、50 Hz；输出3路，其中主输出为DC 20 V、 0.5 A，辅输出为DC 20 V、0.5 A，反馈偏置输出为15 V；效率η取0.8。电路图如图3所示，选择topswitch222[3]作为开关管，交流输入电压经全桥整流滤波后输入直流电压。在反馈偏置回路中，稳压器件TL431[4]作为基准和反馈误差放大器，采样输出并产生误差电压。该误差电压通过光耦PC817转换为误差电流作为控制topswitch的输入信号。开关管产生相应的调整占空比来控制输+325VDGB235MDP6KE400DUF5404DUF5404LLC Indoctor100T15TDBYV26CDIN41481

132DSc109123487FLYBACK342++

+++++C470μF/450VC470μF/450V

C47μF/50VC1nF 630VGNDC0.1μF/12×2T15TC100μF/50V

C0.1μF/50VC100μF/50VC100μF/50VR100

R6RSR100

R102R1k-680R200-84R210k-5.7kR 32UUTL431PC81743312GNDGND123.3μHLLC Indoctor3.3μHJF30AQTOP222Y21CON2

图3 反激式变压器开关电源原理图表2 变压器磁芯输出功率/W66 kHz132 kHz三层绝缘线使用安全边距结构三层绝缘线使用安全边距结构0-10EF12.6EE13EF16EE16EE19EI22EI22EE19EEL16EI25EEL19EF12.6EE13EF16EE16EI22EE19EEI1610-20EF20EI28EEL22EEL25EE19EI22EF20EF20EI25EEL1920-30EF25EI30EPC30EEL25EI2830-50EI28EI30EER28EER28ETD29EI35EER28LEF25EEL22EF25EI30EPC30 2021年1月10日第38卷 第1期Ｊａｎ．　１０，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．１　Telecom Power Technology

·　６２　·出电压的大小。根据前述公式计算可得到变压器的参数如表3所示。表3 变压器各参数值序号参数计算值说明1Vacmax265 V交流输入最大值2Vacmin195 V交流输入最小值3Umax375 V直流输入最大值4Umin275 V直流输入最小值5fs132 kHz开关频率6η0.8效率7Vo20 V输出电压8Po20 W输出功率9VOR135 V反激电压10VDS10 V开关管压降11Dmax33.75%最大占空比12Kap0.6原边脉动电流与峰值电流比值13IAVG0.091 A原边电流平均值140.384 8 A原边电流峰值150.161 2 A原边电流有效值16磁芯EEL19铁氧体磁芯型号1723.4磁芯有效截面积181 550磁芯无气隙的等效电感量19Bmax0.3 T磁芯饱和磁通密度201.823 mH原边电感量21100匝原边绕组匝数2215匝主输出绕组匝数2312匝偏置绕组匝数242.5 A副边电流峰值251.467 A副边电流有效260.313 mm原边绕组线径270.357 mm副边绕组线径280.14 mm气隙宽度电压输出波形如图4所示。从图中可以看出两路输出电压基本稳定在20 V，纹波较小，说明所设计的变压器参数是合理的。