【句句说戳中要害】资深工程师对Flyback反激电源各个层面上的分析与总结(二)

变压器设计

高效率反激变换器大部分设计技巧隐藏在变压器里

绕组结构和磁决定变压(换)器性能是绕组结构在决定运行参数

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绕组结构的约束条件:

●窗口约束

原边副边窗口分配用铜量大致相等,满足几何和能量的大致对应。技巧是分配要合理、线包要基本饱满。

●三明治约束

二夹一的意思,是降低漏感的重要措施,技巧是减少EMC结构、安规结构的不利影响,耦合要紧密。还需注意气隙对绕组的影响、磁芯作为导体的影响,辅助绕组的结构和位置。

●整层约束

是降低漏感最重要的措施,技巧是无论如何都要整层密绕、少半匝都不行,均绕不行、半层更不行,匝数太少就双线或多线并绕、或者用与槽宽等宽的铜箔叠绕。

绕组结构设计可以归结为平面几何问题。设计目标是漏感最小化、气隙最小化,需要较多的经验、技巧、时间、智慧、精力才能达成。是反激变换器设计的重点,也是高效率反激设计的关键所在。

漏感的设计标杆:1%,否则不能实现高效率。

绕组结构决定运行参数:

●一个绕组结构最终与原边副边匝数相对应,其匝比决定反射电压 :

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●反射电压决定原边MOS和副边二极管电压应力(不含尖峰部分):

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● 有了反射电压即可算出原边电流应力:

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●由此得到原边电感量:

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●基于临界模式的最大PWM特征周期:

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●与之对应的最低特征频率和最大占空比:

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磁参数优化:

磁芯选择

给出一个(PC40材质的)磁功率应力的经验公式:

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●可由此大致判断(λ=1)磁芯是否合适。高效率的设计要求磁应力不能太紧张,也就是变压器(包括绕组和磁芯)的发热不要成为整个电源最突出的。当热应力突出时,应增加磁芯的 Ae.B 或者使用更好的材质。

磁芯型号也有影响,骨架槽宽 B 越大于槽深 H 的偏平窗口由于越容易满足整层约束而更有利于减少漏感。

磁饱和强度Bs

优化方向是Bs值最优化,约束条件是磁芯品质,可按 Bs(或原边电感量 Lp)扩大20%~30%余量后 Ipk 波形可见临界饱和迹象为判据确定Bs取值。更高的Bs取值,对应更小的气隙、更小的漏感,更小的尖峰电压、可能更高的整机效率。但太高的Bs取值会使上述余量更小、磁芯的品质控制困难、成品率降低。

Bs不能靠估计,要实测。Bs有个最佳值,PC40材质,大约为0.3T,偏离这个最佳值都会降低效率。

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运行参数优化:

匝比 Np/Ns,反射电压 Vr

优化方向是匝比和反射电压最优化,约束条件是原边电压应力(即MOS管耐压)。更大的匝比对应更高的反射电压Vr、更小的峰值电流 Ipk、可能更小的漏感、更大的最大占空比 Dmax、更低的副边电压应力Vs(以便使用最低耐压的肖特基)。但反射电压太高会导致开关电压应力及开关损耗增加,抵消以上效应,应适可而止

原边匝数Np

优化方向是原边匝数最优化,约束条件是磁损和开关损耗。更少的原边匝数,对应更小的气隙、更小的漏感绝对值、更小的尖峰、更小原边电感量 Lp、更高的特征频率 Fo、更低的铜损、更大的磁损、更大的开关损耗、可能更高的输入电压低端效率、可能更低的输入电压高端效率。根据这些表现,优化到佳值。

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电路优化配合

一个好的变压器设计出来以后,需要电路与之配合,才能充分发挥高效率特性

1、钳位电路

尖峰一定是有的,尖峰大小取决于漏感,钳位功率也取决于漏感。钳位二极管耐压应不低于MOS管耐压,一般应考虑用快恢复的。避免使用4007、磁珠、二极管上串电阻,这些东西是要发热的。钳位电阻应与钳位电容配合,考虑到漏感能量有一部分消耗在开关上,钳位功率控制在漏感的50%以下为宜。

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2、副边二极管反压尖峰 RC 吸收电路

非CCM模式,建议在原边MOS驱动上动手脚,增加导通电阻、减缓导通速率、利用米勒效应转移功率、达成减小甚至完全消除副边二极管反压尖峰之目的。此法可完全省掉RC吸收,收获最高整机效率。即使有过渡到CCM模式,上述导通电阻也应做适应性调整,采用一个合理取值,配合RC吸收达成目的。

RC吸收是有损吸收,对于每一个案例、每一个吸收电容值,都有一个最佳电阻值配合使尖峰最小化,找到这个电阻值,达成最小损耗的吸收。在多路输出时,主要的回路才需要RC吸收(并按上面的方法使损耗最小化),次要的回路建议裸奔(用二极管耐压去扛),或者稍微吸收一下即可,切不可喧宾夺主。

3、副边二极管耐压

在漏感最小化、吸收最佳配合后,副边二极管电压应力已经最小化了,按此电压应力选择一款最低耐压的肖特基,即达成最高效应用。即使有同步整流助力也应如此。此举是提高整机效率最重要的措施之一。

其它电路优化配合

●副边控制电路耗电最小化设计——尽量在 TL431(1~2mA)范围内解决问题,假负载电流、吸收回路电流亦可利用起来为其供电。避免单独绕组供电的设计。

●辅助绕组电压最小化设计——以芯片VCC工况为准,电压匹配、电流够用即可,VCC电容容量够用即可。能少一匝就少绕一匝的意思,避免为加快启动而故意增加VCC电流的设计。

●电流采样电阻Rcs——可能成为PCB板上的热点,也就是损耗点。在必须采样时,应该纠结芯片的采样阀值设置,尽量低一点有利效率;否则可适当减小此电阻值,减小热损失。

●EMC最优化设计——对高效率电源而言,EMC最优化设计的另一个目的是简化端口的差模共模工程,从而减少器件损耗、提高效率。这些措施是:

a、变压器 EMC 结构要追究、隔离屏蔽要做好

b、 PCB 要做好

c、 Y 电容要用两只来湮灭偶极子噪音

d、开关导通速率宜缓不宜急

e、 共模差模结构要合理

●热平衡设计——仔细考察电源的热景象,主要温升器件的极端最大温升应大致一致,一般可以50C°为限值。温升还可判断变压器设计的合理性、散热工的合理性、意外的温升点意味着高效率设计的败笔。

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本文转载自:张飞实战电子
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