基于TOPSwitch-GX反激式变换器的高频变压器的设计

摘 要:随着电力电子技术的发展,开关电源的应用越来越广泛。反激式变换器以其设计简单,体积小巧等优势,广泛应用于小功率场合。其中,高频变压器承担了传递功率、隔离等作用,是设计中极为关键的一环。介绍TOPSwich-GX系列芯片的工作原理,并以一个基于它的单输出反激式变换器为例,详细阐述了高频变压器设计的原理和步骤,对设计实践有很好的指导意义。

关键词:TOPSwitch-GX;反激式变换器;高频变压器;开关电源

中图分类号:TM433 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-179-03

Design of High-frequency Transformer of Flyback Converter Based on TOPSwitch-GX

QIU Yunlan

(Fujian Electric Vocational and Technical College,Quanzhou,362000,China)

Abstract:With the development of power electronics technology,switching power supply are used more and more widely.The fly-back converter with advantages of easily designed and small volume widely applies to low-power occasions.The high-frequency transformer which is very important in the design takes the role of power transmission and isolation.The working principle of TOPSwitch-GX Family is introduced,and a single output fly-back converter based on it is taken for example to expound the principle and steps of high-frequency transformer design,which are good guides for practice.

Keywords:TOPSwitch-GX;Fly-back converter;high-frequency transformer;switching power supply

0 引 言

随着电力电子技术的发展,开关电源以其效率高,体积小等特点逐渐取代了传统的线性稳压电源。开关电源的转换器分为正激、反激、推挽、全桥和半桥五种带变压隔离器的基本类型[1,2]。其中,在中小功率场合,反激式DC/DC变换器应用非常广泛,如便携式电脑电源、POS机电源等[3]。它具有如下几个特点:

(1) 设计简单方便,不像正激式变换器需要磁能复位回路。

(2) 有变压器电气隔离,可利用变比实现升降压,实现多路输出,以适应功率小、电压电流等级多的使用场合[4]。

TOPSwitch-GX系列是由美国电源集成公司生产的离线PWM开关芯片,它设计先进、功能完善,可设计输出250 W以下的单路或多路输出开关电源,典型应用于反激式变换器的设计中。它单片集成了功率场效应管以及完整的PWM控制电路,外围电路简单,使用非常灵活,设计的电源具有低成本、高效率、小尺寸的特点。

在外围电路的设计中,高频变压器的设计是非常重要的一环。本文将以该系列芯片的应用为例,详细介绍反激式变换器中高频变压器设计的原理和一般步骤。

1 TOPSwitch-GX的引脚介绍

图1所示是基于TOPSwitch-GX的反激式变换器框图。TOPSwitch-GX芯片共有6个引脚,其中D和S引脚分别连接片内功率场效应管的漏极和源极。

图1 基于TOPSwitch-GX的反激式变换器框图

L为线监测引脚,使用时必须串联电阻至输入直流电源正极。改变串联电阻的大小,可自由匹配欠电压门槛值、过电压门槛值。设计变压器时,可根据串联电阻上流过的最小电流,查芯片手册中的曲线图,确定其工作的最大占空比。当L引脚与S引脚短接时,该管脚所有功能都被禁用。

F为开关频率选择引脚。当它与S引脚连接时,开关工作在132 kHz;而与C引脚连接时,开关工作在66 kHz,这样也就确定了高频变压器的工作频率。

X引脚用于调节外电流极限、远程开关和同步。与L引脚类似,当它与S引脚短接时,将禁用该管脚所有功能。

输出端电压信号经过采样、转化,形成反馈电流输入芯片的控制引脚C,再由芯片内部加工后,改变驱动功率场效应管的PWM信号,实现电流反馈控制,稳压输出。

在设计高频变压器时,必须充分考虑到TOPSwitch-GX工作频率等参数以及外围元件取值,这样才能使整个开关电源更为稳定、高效地运行。

2 高频变压器设计的步骤

2.1 选择磁心材料与形状

常用于高频磁心材料有铁粉磁心、铁氧体磁心和非晶-微晶合金。对于高频变压器而言,一般选择高磁导率、高饱和磁感强度、低剩磁感强度、高电阻率的磁心材料。磁导率高,线圈通过不大的励磁电流就能获得较高的磁感应强度。饱和磁感强度大,剩余磁感强度小,使得高频变压器工作磁感强度有较大的取值范围,相对减小了磁心体积。电阻率高,涡流小,磁心铁耗小[1,5]。

在没有特殊要求的情况下,通常选择铁氧体材料就可以满足设计需要。大部分适用于高频变压器磁心的材料(如TDK的PC系列),居里温度都在200 ℃以上,可以满足绝大部分工作温度的要求[6,7]。因此,选择磁心主要考虑材料的初始磁导率,饱和、剩余磁感强度,电阻率以及预计工作温度下的磁心损耗,之后考虑材料的机械特性、密度等[8]。西门子、日本的TDK以及国产的新康达都有各自的磁心系列,可以查阅手册获取具体参数信息。

磁心的形状有EE,EI,PQ,POT等多种。为了降低漏感量,减小绕组间的分布电容,应选择高瘦型的磁心(如EE,EI),并尽量减少绕线的层数。当然,还要综合考虑设计产品的几何尺寸要求和应用环境[9]。

2.2 利用AP法确定磁心尺寸

所谓的AP法就是求出磁心窗口面积Aw和磁心有效截面积Ae的乘积AP,根据AP值,查表找出所需磁性材料的编号[1]。

根据法拉第电磁感应定律:

U=NΔΦΔt

式中:U为电磁感应电压;N为线圈匝数;ΔΦ/Δt为磁通随时间的变化率。

若磁感应强度为B,则:

Φ=BAe

由于磁心有效截面积Ae不变,于是:

U=NAeΔBΔt

设工作在电流连续模式,则在开关管导通和截止时,原边绕组和副边绕组分别满足下列关系:

Up=NpAeΔBonton=NpAeΔBonfsD(1)

Us=NsAeΔBofftoff=NsAeΔBofffs1-D(2)

式中:Up,Us分别为原、副边绕组的直流电压;Np,Ns分别为原、副边绕组匝数;ΔBon,ΔBoff分别是开关管导通和截止时变化的磁通密度;fs为变压器工作频率;D为占空比。整理得:

Ae=UpDΔBonfsNp=Us(1-D)ΔBofffsNs(3)

磁心窗口面积Aw可用式(4)表示:

Aw=1Kw(NpIpJ+NsIsJ)(4)

式中:Kw为窗口使用系数;J为电流密度;Ip,Is分别为原、副边绕组电流。

将式(3)与式(4)相乘:

AP=AeAw=1KwfsJUpIpDΔBon+UsIs(1-D)ΔBoff〗

由于ΔBon,ΔBoff在平均磁化曲线上近似相等,可以用磁心工作磁通密度ΔB表示,这样:

AP=UpIpD+UsIs(1-D)KwfsΔBJ

式中:UpIp和UsIs近似为变换器的输入、输出功率,则上式可改写为:

AP=D/η+(1-D)KwfsΔBJPo(5)

式中:Po为输出功率;η为预设变换器效率。

根据算得的AP值,从产品手册中选择尺寸略大于该值磁心的型号。

2.3 计算原、副边绕组匝数

由式(1)可知,变压器原边绕组匝数Np为:

Np=UpDΔBfsAe(6)

同理,副边绕组匝数Ns为:

Ns=U′s(1-D)ΔBfsAe(7)

这里U′s要计及二极管导通电压和副边绕组压降。

2.4 气隙长度的计算

虽然磁心材料的B-H曲线斜率随着气隙大小变化,但带与不带气隙磁心饱和磁感应强度是相同的。当有气隙时,B-H的特征斜率减小,曲线向横轴靠拢。可以减少剩余磁感应强度Br并增加变压器工作范围。当反激式变换器工作在电流连续方式下,将会产生很大的直流分量,气隙可以有效地防止磁心饱和。

气隙长度可以表示为[1]:

lg=μ0Np2AeLp(8)

式中:μ0是真空磁导率;Lp是原边绕组的电感值,它由式(9)计算[10]:

Lp=1Krp-12Upmin2Dmax2ηPofs(9)

式中:Krp为原边电流纹波与电流峰值的比值;Upmin为输入直流电压最小值;Dmax为最大占空比。

2.5 确定导线规格

先确定原边绕组的纹波电流:

Ipr=Upmin DmaxfsLp(10)

则原边电流有效值为:

Iprms=IprDmax13-Krp+1Krp2(11)

副边电流有效值可近似表示为:

Isrms霫o1-Dmax(12)

式中:Io为设计输出电流值。

最后根据面积公式可分别得出计算线径:

Dw=1.13IrmsJ

副边可根据设计要求的电流代入式(12)算出电流有效值,进而求得线径。

根据计算线径,可查AWG导线规格表来选定变压器绕组线径。

3 基于TOPSwitch-GX的单输出反激变换器的高频变压器设计实例

3.1 变换器设计要求

输入电压:220 V±10%;输出功率:36 V×2 A;预计转换效率:80%。

3.2 芯片选型及基本参数的计算

根据设计要求,可以计算出变换器的输出功率Po=36×2=72 W,输入功率Pi=72/0.8=90 W,因此选择输出功率为85 W的TOP245Y。将F和S管脚连接,设定工作频率fs=132 kHz。输入交流电经过滤波整流,最大直流输入电压不超过最大交流电压有效值的1.4倍,则Upmax=220×1.1×1.4=339 V;最小直流输入电压不小于最小交流电压有效值的1.3倍,那么Upmin=220×0.9×1.3=257 V。L与输入直流正极间接2 MΩ电阻,根据芯片手册以及最大占空比下降曲线,可知最小电压对应的最大占空比Dmax=57%。设计采用光耦反馈,反馈绕组电压为12 V,设工作电流为0.2 A。

3.3 高频变压器的设计

3.3.1 选择磁心型号

考虑工作频率、剩磁以及初始磁导率等因素,选择PC40材料,查得饱和磁感强度为0.39 T,工作磁通密度取该值的50%,ΔB=0.195 T。取D=Dmax,Kw=0.4,J=4 A/mm2代入式(5),得到AP=0.199 7 cm4。查TDK磁心规格表选取EI28,AP=0.600 5 cm4,Ae=86.00 mm2,Aw=69.83 mm2。

3.3.2 确定原副边匝数

将最小输入直流电压和最大占空比代入式(6),取整后原边匝数Np=66。考虑二极管导通电压和绕组压降,设副边输出端口1的绕组电压Us=24+1.3=25.3 V。根据式(7),算得副边绕组匝数Ns=5。同理,反馈绕组电压Uf=12+0.7=12.7 V,采用式(7),可得反馈绕组匝数Nf=2。

3.3.3 计算气隙长度

设Krp=0.8,根据式(9)可以得到原边电感Lp=1.355 mH。再将电感值代入式(8)可得气隙长度lg=0.35 mm。

3.3.4 确定导线规格

首先由式(10)可以得到原边纹波电流Ipr=0.819 A,仍取Krp=0.8,代入式(11)可得原边绕组电流有效值Iprms=0.647 A。取电流密度J=4 A/mm2,根据面积公式可得原边绕组计算线径Dwp=0.454 mm,故查表选择AWG25。

最后由式(12)算出副边电流有效值Isrms=4.65 A,副边绕组计算线径Dws=1.219,选择AWG16;反馈绕组有效值Ifrms=0.47 A,反馈绕组计算线径Dwf=0.385 mm,选择AWG27。

4 结 语

介绍的设计方法既适用于单路输出,也适用于多路输出,能很好地适应输入电压高且波动范围大的要求,设计的高频变压器满足开关电源的电性能要求,电源的稳定性和可靠性高。

参考文献

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[10]胡江毅.反激变换器的应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2003.

作者简介

邱云兰 女,1965年出生,福建福清人,副教授。研究方向为自动化与电工技术应用。