《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Tyco回轉(zhuǎn)變壓器的功能和應(yīng)用設(shè)計(jì)

2011-04-22
作者:SteveChyo, VithiSingh

  低成本,、設(shè)計(jì)簡單且效率高的變壓器" title="回轉(zhuǎn)變壓器">回轉(zhuǎn)變壓器已成為100W至150W電源設(shè)計(jì)的常用解決方案,。與采用相似拓?fù)涞碾娐废啾?,回轉(zhuǎn)變壓器的其它優(yōu)點(diǎn)包括主副分離,以及能夠提供多路輸出和選擇正負(fù)電壓電路作為輸出,。

  本文討論了回轉(zhuǎn)變壓器中所用的回轉(zhuǎn)或側(cè)邊阻塞型變壓器的參數(shù),。后一種變壓器已應(yīng)用多年,其拓?fù)湓谧儔浩鞣蛛x的整流器家族中具有獨(dú)特性,。

  回轉(zhuǎn)變壓器功能

  當(dāng)開關(guān)打開時(shí),,能量儲存在主電路中(磁芯材料內(nèi))。如圖1所示,,變壓器和二極管上極點(diǎn)的排列使開關(guān)打開時(shí)沒有能量傳輸給負(fù)荷電路,。當(dāng)關(guān)閉開關(guān)時(shí),變壓器線圈的極性由于采用扁平磁場而被保留,,輸出整流器導(dǎo)線和磁芯材料儲存的能量被傳輸給負(fù)荷電路,。此活動將持續(xù)進(jìn)行,直到磁芯中的能量耗盡,,或者電源開關(guān)再次打開,。

  回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器可以運(yùn)行在間斷或連續(xù)模式下。在間斷模式下(見圖2),,當(dāng)FET打開/關(guān)閉時(shí),,磁芯內(nèi)存儲的能量在回轉(zhuǎn)過程中完全從磁芯中清空。在連續(xù)模式下(見圖3),,磁芯清空回轉(zhuǎn)能量之前打開FET,。典型的回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器可根據(jù)負(fù)荷和輸入電壓情況運(yùn)行于這兩種模式下。

  設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮低電壓時(shí)的最大負(fù)荷,,包括回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器運(yùn)行范圍內(nèi)的所有狀況,,因?yàn)樗谘h(huán)期間將簡單地關(guān)閉(簡單模式),并等待負(fù)荷需求滿足電源傳輸能力,。這是回轉(zhuǎn)變壓器的一個(gè)動態(tài)特征,,用于對大范圍的輸入電壓和負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。

  

  回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)

  下列等式通常用于限定回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器的參數(shù),。產(chǎn)品遵循以下典型的設(shè)計(jì)實(shí)例,。

  假設(shè)V=Ldi/dt,且Vin,,min=(LpIppf)/(δmax),其中:Vin=輸入電壓,,單位:V,;Lp=初級線圈電感,單位:mH,;Ipp=峰值電流,,單位:A,;δmax=最大工作循環(huán),單位:us,;f=運(yùn)行交換頻率,,單位:Khz;

  間斷模式

  功率輸出=0.5*Lp*I2pp*f,;Ipp=(2Pout)/(Vin,,min*δmax)

  在上述回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器中,PWM負(fù)責(zé)完成調(diào)節(jié),。如果穩(wěn)壓器Vin,,min與Vin,max不同,,則:

  δmin=(δmax)/((1-δmax)C+δmax)

  其中,,C=Vin,max/Vin,,min

  由于Ipp已知,,所以:

  Lp=(Vin,min*δmax)/(Ipp*f)

  盡管設(shè)計(jì)人員可依賴磁芯選擇的經(jīng)驗(yàn),,但這僅是一個(gè)近似值,。建議采用以下公式獲得更接近的估計(jì)結(jié)果。

  A c *A e =(((6.33*4)*Lp*Ipp*D2)*108)/Bmax

  其中:Ac=繞線區(qū)域,,單位:cm2,;Ae =磁芯有效區(qū)域,單位:cm2,;Bmax=Bsat/2,,單位:Gauss。請向磁芯制造商了解材料和損耗以及頻率,。D=線路的直徑,,單位是英寸。

  回轉(zhuǎn)變壓器的氣隙必須計(jì)算,,因?yàn)樗\(yùn)行于單端,,并且僅使用助焊劑容量的一半。這可能會導(dǎo)致磁芯達(dá)到飽和狀態(tài),。

  Gap(cm)=lg =((0.4*π*Lp*I2pp)*10^8)/(Ae*B2max)

  確定氣隙長度后,,可以得到主副旋轉(zhuǎn)數(shù)。

  Npri=(Bmax*lg)/(0.4*π*Ipp)

  Nsec=(Np(Vp+Vd)(1-δmax))/(Vin,,min*δmax)

  下例表示間斷模式下的回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)?,F(xiàn)代的設(shè)計(jì)采用PFC(功率因數(shù)校正)概念,在校正后立即定位。升壓拓?fù)渫ǔS糜谄鋭討B(tài)特征和大范圍的輸入電壓,。本例中沒有提到PFC,。

  

  低成本、設(shè)計(jì)簡單且效率高的回轉(zhuǎn)變壓器已成為100W至150W電源設(shè)計(jì)的常用解決方案,。與采用相似拓?fù)涞碾娐废啾?,回轉(zhuǎn)變壓器的其它優(yōu)點(diǎn)包括主副分離,以及能夠提供多路輸出和選擇正負(fù)電壓電路作為輸出,。

  本文討論了回轉(zhuǎn)變壓器中所用的回轉(zhuǎn)或側(cè)邊阻塞型變壓器的參數(shù),。后一種變壓器已應(yīng)用多年,其拓?fù)湓谧儔浩鞣蛛x的整流器家族中具有獨(dú)特性,。

  回轉(zhuǎn)變壓器功能

  當(dāng)開關(guān)打開時(shí),,能量儲存在主電路中(磁芯材料內(nèi))。如圖1所示,,變壓器和二極管上極點(diǎn)的排列使開關(guān)打開時(shí)沒有能量傳輸給負(fù)荷電路,。當(dāng)關(guān)閉開關(guān)時(shí),變壓器線圈的極性由于采用扁平磁場而被保留,,輸出整流器導(dǎo)線和磁芯材料儲存的能量被傳輸給負(fù)荷電路,。此活動將持續(xù)進(jìn)行,直到磁芯中的能量耗盡,,或者電源開關(guān)再次打開,。

  回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器可以運(yùn)行在間斷或連續(xù)模式下。在間斷模式下(見圖2),,當(dāng)FET打開/關(guān)閉時(shí),,磁芯內(nèi)存儲的能量在回轉(zhuǎn)過程中完全從磁芯中清空。在連續(xù)模式下(見圖3),,磁芯清空回轉(zhuǎn)能量之前打開FET,。典型的回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器可根據(jù)負(fù)荷和輸入電壓情況運(yùn)行于這兩種模式下。

  設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮低電壓時(shí)的最大負(fù)荷,,包括回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器運(yùn)行范圍內(nèi)的所有狀況,,因?yàn)樗谘h(huán)期間將簡單地關(guān)閉(簡單模式),并等待負(fù)荷需求滿足電源傳輸能力,。這是回轉(zhuǎn)變壓器的一個(gè)動態(tài)特征,,用于對大范圍的輸入電壓和負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。

  

  回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)

  下列等式通常用于限定回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器的參數(shù),。產(chǎn)品遵循以下典型的設(shè)計(jì)實(shí)例,。

  假設(shè)V=Ldi/dt,且Vin,,min=(LpIppf)/(δmax),,其中:Vin=輸入電壓,單位:V;Lp=初級線圈電感,,單位:mH;Ipp=峰值電流,,單位:A,;δmax=最大工作循環(huán),單位:us,;f=運(yùn)行交換頻率,,單位:Khz;

  間斷模式

  功率輸出=0.5*Lp*I2pp*f,;Ipp=(2Pout)/(Vin,,min*δmax)

  在上述回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器中,PWM負(fù)責(zé)完成調(diào)節(jié),。如果穩(wěn)壓器Vin,,min與Vin,max不同,,則:

  δmin=(δmax)/((1-δmax)C+δmax)

  其中,,C=Vin,max/Vin,,min

  由于Ipp已知,,所以:

  Lp=(Vin,min*δmax)/(Ipp*f)

  盡管設(shè)計(jì)人員可依賴磁芯選擇的經(jīng)驗(yàn),,但這僅是一個(gè)近似值,。建議采用以下公式獲得更接近的估計(jì)結(jié)果。

  A c *A e =(((6.33*4)*Lp*Ipp*D2)*108)/Bmax

  其中:Ac=繞線區(qū)域,,單位:cm2,;Ae =磁芯有效區(qū)域,單位:cm2,;Bmax=Bsat/2,,單位:Gauss。請向磁芯制造商了解材料和損耗以及頻率,。D=線路的直徑,,單位是英寸。

  回轉(zhuǎn)變壓器的氣隙必須計(jì)算,,因?yàn)樗\(yùn)行于單端,,并且僅使用助焊劑容量的一半。這可能會導(dǎo)致磁芯達(dá)到飽和狀態(tài),。

  Gap(cm)=lg =((0.4*π*Lp*I2pp)*10^8)/(Ae*B2max)

  確定氣隙長度后,,可以得到主副旋轉(zhuǎn)數(shù)。

  Npri=(Bmax*lg)/(0.4*π*Ipp)

  Nsec=(Np(Vp+Vd)(1-δmax))/(Vin,min*δmax)

  下例表示間斷模式下的回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)?,F(xiàn)代的設(shè)計(jì)采用PFC(功率因數(shù)校正)概念,,在校正后立即定位。升壓拓?fù)渫ǔS糜谄鋭討B(tài)特征和大范圍的輸入電壓,。本例中沒有提到PFC,。

  

  設(shè)計(jì)參數(shù)

  Vinput=85至132Vac;Voutput=5Vd*10A=50W,;頻率=100kHz,;假設(shè)δmax=0.45。

  間斷模式

  1,、計(jì)算峰值Ipp

  由于Vin,,min=85Vac,則Vin,,min=85*1.4-20V,。因?yàn)椴y和二極降壓管為大約100Vdc,所以:

  Ipp=2Pout/(Vin,,min*δmax)=100/(100*0.45)=2.22A

  2,、計(jì)算δmin

  Vin,max=132Vac*1.4=185Vdc,,指定10%的余量,,則Vin,max=203Vdc,,此處取200Vdc,。

  對Vin,min指定10%的余量,,則Vin,,min=90Vdc。

  從上可得出輸入電壓比率C=200/90=2.22,,因此δmin=0.45/((1-0.45)*2.22+0.45)=0.27,。

  從這些結(jié)果可以得出,穩(wěn)壓器在Vin范圍為200Vdc到90Vdc時(shí),,運(yùn)行的負(fù)荷比是0.27至0.45,。

  3、計(jì)算初級線圈電感

  Lp=90*0.45/(2.22*100Khz)=0.18mH

  4,、選擇磁芯

  在本例中,,我們選擇電流密度為大約300c.m/A。由于Ipp=2.22A,,總c.m為300*2.22=666c.m,。從線路圖中,,22A WG的直徑為.028英寸。我們選擇Magnetics公司材料類型“P”,,并且從目錄中選擇Bmax=500Gauss,。結(jié)果得出大約100mW/cm3。

  因此,,AcAe=(6.33*4)*(.00018)*2.22*(.028) 2*(10^8)/(500)=1.59 cm^4,,AcAe=1.60cm^4。

  5,、計(jì)算氣隙長度

  磁芯中心支路中,lg=(0.4*π*0.00018*(2.22)2*10^8)/(1.37*(500) 2)≈0.30cm,。

  6,、計(jì)算主副旋轉(zhuǎn)數(shù)

  Npri=500*0.30/(0.4*3.14*2.22)=54轉(zhuǎn)Nsec=54*(5+1)(1-0.45)/(90*0.45)=4.4轉(zhuǎn)。

  我們使用5轉(zhuǎn),,因?yàn)槔@線會產(chǎn)生損耗,,PCB和其它拋物線損耗未包含在內(nèi)。接下來選擇輸出線路,。對于10A的情況,,10*300=3000cm,我們選擇16AWG作為副旋轉(zhuǎn)數(shù),。為最大程度降低由于表面效應(yīng)產(chǎn)生的銅損耗,,建議采用多股細(xì)線(4股22AWG線路相當(dāng)于單條16AWG線路)。

  設(shè)計(jì)工程師還必須檢查線軸填充因素和溫度升高因素,,因?yàn)榘踩蟮膶?shí)施會增大回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器的尺寸,。

  

  其它選項(xiàng):定制回轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器

  CoEv Magnetics推出了多種SMPS穩(wěn)壓器,以滿足客戶的需求和要求,。定制穩(wěn)壓器用于優(yōu)化具體應(yīng)用領(lǐng)域的尺寸,、成本和性能,并在開發(fā)時(shí)考慮了多個(gè)參數(shù),,包括:旋轉(zhuǎn)率,、電流處理能力、激勵電平,、感應(yīng),、泄漏感應(yīng)、自共鳴頻率,、DC阻抗,、安裝配置、絕緣電壓,。

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