正確選擇配合MAX13256工作的變壓器 - 全文

　　圖3所示為兩種常見(jiàn)的副邊整流器拓?fù)洹Ｈ绻边呎髌魍負(fù)錇橥仆焓?，在C11單元輸入原邊匝數(shù)的兩倍。例如，如果使用TGMR-512V6LF，即推挽式整流器，則在C11單元輸入“8”，在C12單元中輸入“1”。

　　該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也影響C13單元的輸入內(nèi)容。對(duì)于全波整流器，輸出電壓跌落為2倍的二極管壓降，而推挽式架構(gòu)下的跌落電壓只為一個(gè)二極管壓降。查閱二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)，確定每個(gè)二極管的預(yù)期正向?qū)妷骸Ｈ绻形催x擇二極管，輸入表1建議的默認(rèn)值，然后在選好二極管后以接近數(shù)值替代。

　　最后，查閱電子表格的第四部分的計(jì)算結(jié)果。C23單元計(jì)算出該應(yīng)用所允許的最小ET常數(shù)，變壓器指標(biāo)必須等于或大于該值。Halo TGMR-502V6LF變壓器的ET常數(shù)為60V-μs，大于C23單元計(jì)算的最小值。

　　C24單元計(jì)算整流器輸出，約為5.4V。如果需要隔離的5V穩(wěn)壓電源，使用壓差為0.4V或更小的LDO穩(wěn)壓器提供輸出。

　　由于并未考慮所有因素，在進(jìn)行最差工作條件分析時(shí)，將輸出電壓降低1%至5%。另外還要注意，輕載條件下，輸出電壓可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于計(jì)算值。例如，從MAX13256數(shù)據(jù)手冊(cè)第5頁(yè)的右下圖可以看出這一點(diǎn)。

　　如果輕載下對(duì)輸出電壓要求非常嚴(yán)格，在實(shí)驗(yàn)室以所要求的最小負(fù)載進(jìn)行原型測(cè)試，測(cè)量輸出電壓。有些情況下，可在輸出端預(yù)先并聯(lián)一個(gè)電阻，以降低輕載時(shí)的輸出電壓。

　　圖4. MAX13256兼容變壓器示例的計(jì)算結(jié)果。

　　選擇一款并非針對(duì)MAX13256設(shè)計(jì)的變壓器

　　如果找不到專門(mén)配合MAX13256設(shè)計(jì)的變壓器，可以擴(kuò)大搜索范圍，查找一些并非專門(mén)針對(duì)MAX13256設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)變壓器。只需查閱幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，即可快速縮小搜索范圍。

　　首先排除不滿足隔離要求的變壓器；然后，檢查匝數(shù)比和ET乘積，具體取決于是否提供中心抽頭。例如，如果原邊帶有中心抽頭，則可選擇驅(qū)動(dòng)整個(gè)繞組或僅驅(qū)動(dòng)半個(gè)繞組。一側(cè)有中心抽頭的變壓器提供了兩種選項(xiàng)，原邊和副邊均帶中心抽頭的變壓器則提供了四種選擇。

　　表2列出了所有可能性，僅保留滿足第三欄和第四欄標(biāo)準(zhǔn)的選項(xiàng)。查閱表2時(shí)，ET乘積計(jì)算如下：

　　ET = （1000 × VIN）/fsw

　　式中，ET為計(jì)算的乘積，基于電路要求。

　　VIN為輸入電壓，單位為V。

　　fsw為最小輸入時(shí)鐘頻率，單位為kHz；如果使用內(nèi)部振蕩器，則為510kHz。

　　表2中，暫定匝數(shù)比（TR）定義為所要求的輸出電壓與輸入電壓之比。

　　最后，利用 MAX13256通用變壓器電子表格進(jìn)行驗(yàn)證。

　　使用 MAX13256通用變壓器電子表格驗(yàn)證

　　除了以上提及的技術(shù)指標(biāo)，許多變壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)還給出了勵(lì)磁電感，有時(shí)稱為原邊電感。由于該指標(biāo)是在其它繞組全部開(kāi)路時(shí)測(cè)得的，所以有時(shí)也稱為OCL或開(kāi)路電感。

　　OCL是一項(xiàng)重要指標(biāo)。與Maxim之前的變壓器驅(qū)動(dòng)器不同，MAX13256限制原邊峰值電流，提供過(guò)載和短路保護(hù)。原邊電感導(dǎo)致原邊電流呈現(xiàn)經(jīng)典的“基架上的紋波”，如圖5所示。

　　圖5. 原邊電流波形

　　負(fù)載恒定時(shí)，變壓器通過(guò)平均電流，包括變壓器磁芯發(fā)熱消耗的電流和將功率傳遞給負(fù)載的電流。原邊電感導(dǎo)致在平均電流上方出現(xiàn)電流紋波。電路分析時(shí)，必須確認(rèn)峰值電流不會(huì)錯(cuò)誤地觸發(fā)MAX13256進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

　　我們來(lái)看另一個(gè)例子，假如輸入電壓為12V，需要產(chǎn)生隔離的12V、200mA電源，提供1kV隔離。通過(guò)搜索發(fā)現(xiàn)一款變壓器：Coilcraft Q4470-CL2。利用MAX13256通用變壓器電子表格驗(yàn)證其它參數(shù)，圖6所示為第一部分輸入內(nèi)容：

　　圖6. MAX13256通用變壓器數(shù)據(jù)示例，MAX13256部分。

　　電子表格的C3單元是MAX13256內(nèi)部橋式開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻之和，即數(shù)據(jù)手冊(cè)指標(biāo)ROH、ROL之和，典型值為1.6Ω。對(duì)于最差工作條件分析，將C3單元更改為2.5Ω，這是ROH、ROL最大值之和。電子表格的C4單元為最小開(kāi)關(guān)頻率，單位為kHz。如果使用內(nèi)部振蕩器作為時(shí)鐘，該值為510kHz；如果使用外部時(shí)鐘，在此輸入CLK引腳的最低頻率。

　　為防止過(guò)載和電路故障，MAX13256限制提供給變壓器原邊的峰值電流。ITH引腳電阻設(shè)置該限流門(mén)限。除非需要更嚴(yán)格地限制輸入電流，ITH引腳的電阻應(yīng)為1KΩ，保證500mA峰值電流限值。如果ITH電阻值高于1KΩ，那么在C5單元中輸入設(shè)置的限流值，單位為A；否則，使用默認(rèn)值0.5A。

　　接下來(lái)，在輸入第二部分用戶參數(shù)，如圖7所示：

　　圖7. MAX13256通用變壓器示例的計(jì)算結(jié)果。

　　在電子表格C8單元輸入MAX13256 VDD引腳的驅(qū)動(dòng)電壓，本例中為12V。在C9單元填寫(xiě)輸出負(fù)載電流，本例為0.2A。根據(jù)變壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)輸入C10至C14。盡管變壓器具有原邊和副邊中心抽頭，但本設(shè)計(jì)中并未發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。如果使用原邊中心抽頭，在C12單元中的原邊匝數(shù)輸入項(xiàng)應(yīng)為一半，即1.5。同樣，如果設(shè)計(jì)中使用副邊中心抽頭，C13單元中的值應(yīng)為一半，即2。

　　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響C15單元輸入的內(nèi)容。對(duì)于全波整流器，輸出電壓跌落為2倍的二極管導(dǎo)通壓降；對(duì)于推挽式架構(gòu)，輸出跌落為1個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降。查閱二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)，確定每個(gè)二極管的正向?qū)妷?。如果尚未選擇二極管，輸入表1推薦的默認(rèn)值，然后在選好二極管后用接近的數(shù)值替代。

　　接下來(lái)，查閱圖8所示電子表格第四部分計(jì)算結(jié)果。

　　圖8. MAX13256通用變壓器數(shù)據(jù)示例，用戶輸入部分。

　　C32單元計(jì)算該應(yīng)用所允許的最小ET乘積，變壓器ET乘積為32V-μs，大于C32單元要求的23.5。如果MAX13256驅(qū)動(dòng)器連接至原邊的一段和中心抽頭，變壓器將提供規(guī)定指標(biāo)的一半，即16V-us，不滿足設(shè)計(jì)條件，所以該應(yīng)用中不能使用該變壓器。

　　C33單元計(jì)算MAX13256可接受的峰值電流，該值必須低于C5單元輸入值。注意，F(xiàn)33單元指示“GOOD”。如果C33單元計(jì)算值太高，F(xiàn)33單元將指示“PK CURRENT TOO HIGH”。

　　電子表格C35單元計(jì)算電路的輸出電壓，本例中為大約13.9V。如果希望非常穩(wěn)定的12V輸出，應(yīng)為L(zhǎng)DO留出足夠的壓差裕量。

　　查看圖9“功耗”信息。

　　圖9. MAX13256通用變壓器示例，功耗部分。

　　對(duì)于一個(gè)良好設(shè)計(jì)，這些功耗指標(biāo)在合理范圍。注意，變壓器功耗指標(biāo)包括未知的磁芯損耗，估算值為200mW，即C16數(shù)值。配合MAX13256使用的變壓器的類型，對(duì)于信譽(yù)良好的廠家，磁芯損耗要低于200mW估算值。再次說(shuō)明，在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)電路性能非常重要。

　　為變壓器廠商規(guī)定變壓器指標(biāo)

　　如果您無(wú)法獲取合適的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，則可考慮請(qǐng)變壓器廠商定制產(chǎn)品。

　　與信譽(yù)良好的變壓器廠商配合的最佳方式就是在設(shè)計(jì)階段與其一起工作。利用MAX13256通用變壓器電子表格制定變壓器的暫定技術(shù)指標(biāo)。

　　應(yīng)該提供給變壓器廠商的硬性指標(biāo)包括：

　　　　隔離電壓

　　　　ET常數(shù)

　　　　輸出電流

　　　　匝數(shù)比

　　推測(cè)“軟”指標(biāo)，做好變壓器廠商建議修改的準(zhǔn)備。

　　　　調(diào)整C14單元的原邊電感，直到C20單元與C9單元之比小于0.3，這表示變壓器應(yīng)該提供的最小原邊電感，是最容易滿足的軟指標(biāo)。

　　　　磁芯損耗估值為0.2W，變壓器廠商將通過(guò)選擇不同的鐵氧體和磁芯來(lái)調(diào)節(jié)該指標(biāo)。變壓器廠商在鐵氧體和磁芯方面的經(jīng)驗(yàn)對(duì)您來(lái)說(shuō)是最寶貴。

　　　　調(diào)整原邊和副邊電阻，大體上與匝數(shù)比成比例，直到C39單元的變壓器功耗低于0.75W，C38單元的MAX13256功耗低于1.0W。由于變壓器廠商通常會(huì)盡可能接近您提供的數(shù)值，所以這些指標(biāo)略顯保守。

　　將這些指標(biāo)交給變壓器廠商進(jìn)行檢查，然后根據(jù)反饋意見(jiàn)進(jìn)行調(diào)整。除了對(duì)您的設(shè)計(jì)有幫助外，變壓器對(duì)于生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)品測(cè)試也很有價(jià)值，特別是當(dāng)您需要超過(guò)2.5kV的隔離電壓時(shí)。

　　利用MAX13256 XFMR設(shè)計(jì)電子表格設(shè)計(jì)變壓器

　　如果您希望對(duì)電路提供更嚴(yán)格的控制，可以初步設(shè)計(jì)一個(gè)變壓器，然后交給變壓器廠商進(jìn)行檢查。指定鐵氧體和磁芯，以及每個(gè)繞組的線規(guī)、匝數(shù)。即使您計(jì)劃采用定制變壓器，繞制一個(gè)初步的設(shè)計(jì)也有助于深入了解變壓器廠商的設(shè)計(jì)。

　　例如，假設(shè)我們?yōu)镸AX13256設(shè)計(jì)的變壓器提供9V @ 0.7A和5V @ 0.4A，電源為24V。該變壓器將有一個(gè)原邊和兩個(gè)副邊。

　　第一步是選擇鐵氧體材料。由于大多數(shù)設(shè)計(jì)使用MAX13256的內(nèi)部振蕩器，所以所選材料應(yīng)該在255kHz至700kHz保持良好的工作。盡量使用相對(duì)磁導(dǎo)率超過(guò)1，000、磁通密度高于0.25 T的材料。參見(jiàn)圖10。

　　我們嘗試使用N49鐵氧體材料3，利用數(shù)據(jù)資料填寫(xiě)電子表格的鐵氧體參數(shù)。

　　圖10. MAX13256變壓器設(shè)計(jì)電子表格的鐵氧體數(shù)據(jù)。

　　在鐵氧體數(shù)據(jù)手冊(cè)第2頁(yè)，BS表示峰值系統(tǒng)密度，100° C時(shí)為400mT，輸入C2單元。C3單元計(jì)算降額最大磁通密度。利用降額磁通密度作為指導(dǎo)，幫助設(shè)定實(shí)際磁通密度。查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)第5頁(yè)左下角有關(guān)相對(duì)磁芯損耗與頻率的關(guān)系曲線圖，200mT曲線停止在200kHz。為了在300kHz以上使用該材料，應(yīng)將磁通密度限制在100mT或以下?？梢試L試各種不同的磁通密度，注意較高的密度降低線損，較低的密度降低磁芯損耗。

　　本例中，選擇75mT，輸入C4單元。從同一圖表可知，500kHz下，100mT時(shí)的磁芯損耗約為700，50mT時(shí)約為100。幾何平均值約為265，所以在C5單元輸入磁芯損耗350kW/m3。較大的磁芯損耗考慮了500kHz以上工作的可能性。

　　第二步是選擇磁芯，本例中為Ferroxcube? EP134。根據(jù)數(shù)據(jù)資料，在電子表格的磁芯部分輸入數(shù)值，如圖11所示。

　　圖11. MAX13256變壓器設(shè)計(jì)電子表格的磁芯數(shù)據(jù)資料部分。

　　在磁芯數(shù)據(jù)資料的第693頁(yè)左上部，可查到具體磁芯的參數(shù)。參數(shù)有磁芯的橫截面積、有效長(zhǎng)度以及有效體積。窗口區(qū)域?yàn)橛糜诶p繞導(dǎo)線的空間，對(duì)于該EP13磁芯數(shù)據(jù)手冊(cè)，必須根據(jù)第693頁(yè)的圖1計(jì)算得到。窗口區(qū)域?yàn)榇判緮?shù)據(jù)資料第693頁(yè)圖1底部插圖的無(wú)陰影區(qū)域。

　　在第696頁(yè)可查到每匝平均長(zhǎng)度（MLT）。導(dǎo)線并非直接纏繞在磁芯上，而是纏繞在線圈架上，后者決定繞組相關(guān)的參數(shù)。

　　然后，在表格中輸入相應(yīng)的電壓和電流，如圖12所示。

　　圖12. MAX13256變壓器設(shè)計(jì)電子表格的V和I部分。

　　這些參數(shù)取自于電源電路的設(shè)計(jì)要求。如圖13所示。

　　圖13. MAX13256變壓器設(shè)計(jì)電子表格的開(kāi)關(guān)頻率和峰值電流。

　　電子表格的C22單元為MAX13256內(nèi)部橋式開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻總和，也就是數(shù)據(jù)手冊(cè)中ROH、ROL之和。典型值為1.6Ω。按照最差工作條件分析，將C22單元更改為2.5Ω，這是最大導(dǎo)通電阻值。電子表格C20單元是最小開(kāi)關(guān)頻率，單位為kHz。如果使用內(nèi)部振蕩器作為時(shí)鐘，該值為510kHz；如果使用外部時(shí)鐘，在此輸入CLK引腳的最低頻率。

　　為防止過(guò)載和電路故障，MAX13256限制提供給變壓器原邊的峰值電流。ITH引腳電阻設(shè)置該限流門(mén)限。除非需要更嚴(yán)格地限制輸入電流，ITH引腳電阻應(yīng)為1KΩ，保證500mA峰值電流限值。如果ITH電阻值高于1KΩ，則在C5單元輸入限流值；否則，使用默認(rèn)值0.5A。

　　現(xiàn)在先將初步設(shè)計(jì)放在一邊，選擇導(dǎo)線和匝數(shù)，這是一個(gè)迭代過(guò)程。逐步調(diào)整匝數(shù)和導(dǎo)線尺寸，直到得到合適的變壓器。增加匝數(shù)降低磁芯的峰值磁通密度，降低磁芯損耗；然而，增加匝數(shù)就不得不使用較細(xì)的導(dǎo)線，以滿足空間要求，進(jìn)而又增大了電阻和繞組損耗。

　　從MAX13256變壓器設(shè)計(jì)電子表格的匝數(shù)設(shè)置部分開(kāi)始。如圖14所示。

　　圖14. MAX13256變壓器設(shè)計(jì)電子表格的用戶匝數(shù)部分。

　　注意C30、C31和C32單元中的值，這些是所要求的最小匝數(shù)。我們首先將這些值分別輸入C35、C36和C37單元，如圖14所示。D35、D36和D37單元顯示“GOOD”。如果其中某個(gè)或多個(gè)單元顯示“NOT ENOUGH TURNS”，則必須增加相應(yīng)的匝數(shù)。

　　我們繼續(xù)，觀察電子表格線圈部分。

　　圖15. MAX13256變壓器設(shè)計(jì)電子表格的用戶導(dǎo)線部分。

　　電子表格根據(jù)匝數(shù)和允許的繞組面積，在C51、C53和C55單元顯示推薦的導(dǎo)線規(guī)格，用戶可對(duì)其進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)在，只需將其復(fù)制到C59、C60和C61單元，如圖15所示。如果D66單元顯示“OVERSTUFFED”，則必須調(diào)高C59、C60和C61單元的數(shù)值，直到顯示“GOOD”。

　　如果設(shè)計(jì)會(huì)在正常工作期間觸發(fā)MAX13256的過(guò)載保護(hù)電路，D86單元會(huì)顯示另一項(xiàng)警告，表示“PK CURRENT TOO HIGH”。警告的原因要么是原邊繞組不足，要么是試圖轉(zhuǎn)換的功率超出了MAX13256的能力。由于MAX13256峰值電流限值為0.5A，提供的電源必須小于供電電壓的一半。例如，電源為24V時(shí)，MAX13256將不能提供高于12W的功率。參見(jiàn)圖16。

　　圖16. MAX13256變壓器設(shè)計(jì)電子表格的輸出電壓部分。

　　圖3所示為兩種常見(jiàn)的副邊整流器拓?fù)?。?duì)于全波整流器，輸出電壓跌落為2倍的二極管壓降，而推挽式架構(gòu)下的跌落電壓只為一個(gè)二極管壓降。查閱二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)，確定每個(gè)二極管的預(yù)期正向?qū)妷?。如果尚未選擇二極管，在C98和C103輸入表1建議的默認(rèn)值，然后在選好二極管后以接近數(shù)值替代。

　　注意，C99和C104單元結(jié)果用于計(jì)算輸出電壓。我們得到的不是9V和5V，而是7.6V和4.4V。我們需要增加副邊匝數(shù)，以提高電壓。

　　調(diào)整C36和C37單元的副邊繞組匝數(shù)，直到這些電壓適當(dāng)高于所要求的電壓。副邊匝數(shù)為10匝和6匝時(shí)，我們得到的是9.6V和5.4V?，F(xiàn)在，D66單元顯示“OVERSTUFFED”。本例中，增大匝數(shù)造成磁芯窗口區(qū)域的導(dǎo)線太多，注意圖17電子表新的推薦值。

　　圖17. 新用戶導(dǎo)線建議值。

　　現(xiàn)在，D35、D36、D37、D66或D86單元有警告顯示。當(dāng)原邊為22匝24線規(guī)，9V副邊為10匝22線規(guī)，5V副邊為6匝24線規(guī)時(shí)，預(yù)期輸出為9.6V @ 0.7A （C99單元），5.4V @ 0.4A （C104單元）。

　　E105、F105和G105單元估算功耗。本例中，MAX13256功耗大約為0.5W，變壓器功耗為大約0.25W，整流二極管功耗約為1W。

　　圖18. MAX13256變壓器設(shè)計(jì)電子表格的修正輸出電壓部分。

　　最后一步是生產(chǎn)變壓器，在實(shí)驗(yàn)室搭建原型，然后驗(yàn)證電路工作是否安全。參見(jiàn)圖18。

　　如果您考慮使用中心抽頭的副邊，利用該電子表格，確保副邊匝數(shù)與副邊線規(guī)相匹配。

　　結(jié)論

　　由于匝數(shù)比決定了輸出電壓，必須謹(jǐn)慎選擇配合MAX13256設(shè)計(jì)工作的變壓器。除了選擇專門(mén)針對(duì)MAX13256設(shè)計(jì)的變壓器外，也可選擇滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。如果以上兩種途徑都不滿足需求，可定制或設(shè)計(jì)專用變壓器。利用基本信息和本文提供的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)步驟，能夠快速地從基本概念設(shè)計(jì)出實(shí)際電路，搭建原型并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證。