單端反激式開關電源變壓器的設計

顧偉康

（國網浙江省電力有限公司 湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引 言

這些年來，伴隨電源技術的不斷革新，開關電源技術正向著小巧、高頻、集成化的目標邁進。單端反激式變壓器以其所占體積小、造價低廉、效率較高等優勢，非常合適各種功率較小的開關電源[1,2]。然而，反激式變壓器的設計卻仍有很多困難，鐵磁內芯、電感量、間隙、繞組的匝數及繞法等等，都需要反復設計修正。此外，反激式變壓器所特有的電流連續、斷續兩種工作形式，給其設計計算增加了難度。文本詳細給出了單端反激式變壓器的通用設計思路，統一了不同工作形式下的計算公式，并以設計實例加以具體說明。

1 單端反激式變壓器的工作原理

反激式變壓器的工作原理如圖1所示。

在開關管導通時，原邊繞組電壓極性上正下負，此時副邊繞組感應到的電壓極性為上負下正，從而二極管D1被關斷。直流電壓加在變壓器原邊繞組兩端，使電感線圈中的電流線性增大。由于二極管D1反向偏置阻斷了輸出負載電流對變壓器的影響，因此這個階段變壓器的儲能隨著輸入電流的增加而變大，而輸出電容CO提供維持負載所需的能量。

在開關管關斷時，輸入電流消失。但因原邊電感的存在，原邊繞組電流無法突變，依舊保持原方向流動，導致開關管漏極輸出結電容被快速充電，從而和等效電感產生高頻震蕩，在開關管漏極產生一個尖峰電壓，使得原邊繞組兩端的電壓極性突變為上負下正。從而副邊繞組上感應為上正下負，則二極管D1導通。原邊電感儲存的磁能向負載傳遞釋放。可以看出，反激式變壓器在開關工作中既起變壓隔離作用，又是電感儲能元件。

2 單端反激式變壓器的設計

單端反激式變壓器設計流程圖如圖2所示。根據下面步驟設計合適的變壓器。

2.1 確定系統要求

Vacmax，Vacmin，Umax，Umin，Vo，Po，η等參數值的確定。

Vacmax，Vacmin：交流輸入電壓最大值和最小值。

建議的交流輸入范圍如表1。

表1 建議的AC輸入范圍

Umax，Umin：整流濾波后的直流電壓最大值和最小值。

Vo，Po：輸出電壓和功率。

η：電源效率，如果沒有更好的參數依據，可設為0.8。

2.2 確定最大占空比（Dmax）

最大占空比為：

式中，VOR為反射電壓，VDS為topswitch導通時的漏源平均電壓。

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其中，開關管耐壓要大于反射電壓加輸入電壓之總和，顯然還需有一定的設計裕度。對于topswitch器件，VOR一般為75～140 V，太小了占空比低效率低，太大了容易擊穿開關管。從實際情況考慮，VDS應設在10 V，它會略微增加Dmax。

2.3 確定原邊脈動電流IR和峰值電流IP的比例因素Kap

在電流連續模式下Kap＜1，電流斷續模式下Kap＞1。依據以往設計經驗，Kap在寬、窄電壓輸入時分別取值 0.4～1 和 0.6～1。

2.4 確定原邊電流平均值、峰值和有效值

知道最大占空比Dmax和電流比例因素Kap之后，易得原邊電流的波形，從而可以計算出平均電流IAVG，峰值電流IP和有效值電流IRMS，計算公式分別如下：

2.5 確定Ae、Le、AL、BW等的參數值

利用表2根據fs和Po選擇磁芯和骨架，再從磁芯和骨架的數據手冊中查得Ae、Le、AL、BW等的參數值。

Ae：磁芯等效截面積；

Le：磁芯等效磁路長度；

BW：骨架寬度。

根據fs和Po以及變壓器結構類型選擇磁芯和骨架，如表2所示。

表2 變壓器磁芯

2.6 確定原邊電感量

原邊電感量為：

式中：Z為損耗分配因素，fs為開關頻率。

2.7 確定原邊繞組匝數

在斷續電流工作模式下，由電磁感應定律可以推出：

式中，Np為原邊繞組匝數，Bmax為磁芯飽和磁通密度。

2.8 確定副邊繞組匝數和偏置繞組匝數

式中，Ns為副邊繞組匝數，NB為偏置繞組匝數，VD為輸出二極管正向電壓，VBD為偏置二極管電壓。

2.9 確定副邊電流峰值和有效值

式中，Isp為副邊電流峰值，ISRMS為副邊電流有效值。

2.10 確定原副邊的導線線徑和繞線方式

導線的最小線徑可以從電流密度定義中求出：

式中，D為導線直徑，為電流密度，一般取4～6 A/mm2。

2.11 確定氣隙寬度Lg

設計變壓器時，為了防止磁飽和，應將一個合適的氣隙置于磁回路中，計算公式如下：

式中：Lg單位為 mm，Ae單位為 cm2，AL單位為nH/N2，單位為μH。

至此，單端反激式變壓器的主要參數已經全部設計完成。

3 設計實例

本文設計的反激式變壓器主要參數：輸入AC 230 V、50 Hz；輸出3路，其中主輸出為DC 20 V、0.5 A，輔輸出為DC 20 V、0.5 A，反饋偏置輸出為15 V；效率η取0.8。

電路圖如圖3所示，選擇topswitch222[3]作為開關管，交流輸入電壓經全橋整流濾波后輸入直流電壓。在反饋偏置回路中，穩壓器件TL431[4]作為基準和反饋誤差放大器，采樣輸出并產生誤差電壓。該誤差電壓通過光耦PC817轉換為誤差電流作為控制topswitch的輸入信號。開關管產生相應的調整占空比來控制輸出電壓的大小。

根據前述公式計算可得到變壓器的參數如表3所示。

表3 變壓器各參數值

電壓輸出波形如圖4所示。從圖中可以看出兩路輸出電壓基本穩定在20 V，紋波較小，說明所設計的變壓器參數是合理的。

4 結 論

本文所提出的變壓器設計方法，統一了電流連續模式和斷續模式下的設計公式，簡化了很多理論推導，并結合工程實踐經驗，有利于快速設計出符合要求的反激式變壓器。