如何為iso buck轉(zhuǎn)換器選擇變壓器 隔離式BUCK DC-DC轉(zhuǎn)換器如何工作？

本文討論了如何為iso buck轉(zhuǎn)換器選擇變壓器，以及為什么我們使用MAX17682和MAX17681的數(shù)據(jù)手冊中的簡化公式。它還介紹了隔離式BUCKDC-DC轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。 選擇變壓器似乎是設(shè)計隔離式BUCKDC-DC轉(zhuǎn)換器的過程中最關(guān)鍵步驟。本文將討論隔離式BUCKDC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理，選擇變壓器時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注哪些參數(shù)，這些參數(shù)如何影響選擇變壓器以及所選變壓器如何影響電路參數(shù)。 隔離式BUCKDC-DC轉(zhuǎn)換器如何工作？ 就像BUCK轉(zhuǎn)換器一樣，下圖向我們展示了ISO降壓拓?fù)洹ｏ@然，通過用變壓器代替BUCK電路中的電感器，我們可以獲得一個隔離式BUCK轉(zhuǎn)換器。變壓器次級側(cè)具有獨(dú)立的地。

Figure1Iso-BuckTopology

在導(dǎo)通時間（Ton）內(nèi)，高側(cè)開關(guān)（QHS）接通，低側(cè)開關(guān)（QLS）斷開。變壓器勵磁電感LPRI被充電。圖中的箭頭顯示了電流的流向。初級電流線性增加。電流隨時間變化的斜率取決于（Vin-Vpri）和Lpri。在此時間間隔內(nèi)，次級側(cè)二極管D1被反向偏置，負(fù)載電流從COUT流向負(fù)載。

Figure2OnPeriodEquivalentCircuit

在關(guān)斷時間（Toff）內(nèi)，QHS關(guān)閉并且QLS打開。初級電感器放電。初級側(cè)電流從QLS流到到初級側(cè)地，D1此時被正向偏置，次級側(cè)電流從次級側(cè)線圈流到到輸出電容和負(fù)載。在這段時間內(nèi)輸出電容被充電。（關(guān)閉QHS并打開QLS不能改變電流方向，它改變了電流斜率。正電流減小到0A，然后負(fù)電流增大。）

Figure3OffPeriodEquivalentCircuit

哪些參數(shù)會影響變壓器的選擇？ 當(dāng)設(shè)計電源時，一些參數(shù)和規(guī)格應(yīng)該被明確。這些參數(shù)將決定外圍器件（如輸入電容，取樣電阻等）的選型，尤其是變壓器。 輸入電壓范圍INPUTVOLTAGERANGE 輸出電壓OUTPUTVOLTAGE 最大占空比MAXDUTYCYCLE 開關(guān)頻率SWITCHFREQ 輸出電壓紋波OUTPUTVOLTAGERIPPLE 輸出電流OUTPUTCURRENT 輸出功率OUTPUTPOWER 我們通常將最大占空比（D）分配為0.4到0.6。最小輸入電壓（VIN_MIN）和最大占空比將決定初級側(cè)輸出電壓（VPRI）。初級輸出電壓和輸出電壓（VOUT）確定變壓器匝數(shù)比。 輸出電流（IOUT）和輸出功率（POUT）可能是影響變壓器選擇的最關(guān)鍵的參數(shù)。輸出電流將決定至少應(yīng)使用多粗的銅線。輸出功率將決定應(yīng)使用哪種變壓器骨架。骨架的磁導(dǎo)率表明了它可以存儲多少能量，從而可以輸出多少能量。通常，我們使用直流負(fù)載電流乘以一個系數(shù)來指定電感器（變壓器）的紋波電流。占空比和開關(guān)頻率將告訴我們TON時間，借助VIN和VPRI以及紋波電流，我們可以確定初級側(cè)電感值。系數(shù)不應(yīng)分配得太大或太小。較大的系數(shù)會導(dǎo)致較大的紋波電流。大的紋波電流可能會超出H橋電流限值，這可能會損壞MOSFET，并且由于輸出電容的ESR和ESL，大的紋波電流會在輸出電容器上導(dǎo)致較大的紋波電壓。相反，當(dāng)我們想要極小的紋波電流時，我們的計算會得到一個大電感值的電感器（變壓器），它將是一個大骨架和內(nèi)部具有大量繞組的線砸，并且大電感將限制環(huán)路帶寬并降低動態(tài)響應(yīng)指數(shù)。 選擇變壓器 顯然，能量僅在關(guān)斷時間內(nèi)傳輸?shù)酱渭墏?cè)。所以，匝數(shù)比可以通過以下公式確定：

其中VD是次級二極管的正向偏置電壓。對于Vpri，我們通常將最大占空比分配在0.4到0.6的范圍內(nèi)。Vpri可以通過以下公式計算：

其中D是最大占空比，Vin_min是最小輸入電壓。從上面的討論中，我們就可以計算匝數(shù)比了。作為非隔離buck轉(zhuǎn)換器，電感器兩邊的紋波電流相等。輕松地，我們可以按以下在Ton時間的電感特性公式計算所需的電感值：

其中，f為開關(guān)頻率，ΔI為紋波電流。正如我們所說，紋波電流是直流負(fù)載電流乘以一個系數(shù)：

K是系數(shù)。但是在隔離buck轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲?，這里是一個變壓器，而不是電感器。我們該如何處理？我們知道變壓器兩側(cè)的電流和匝數(shù)成反比：

其中Ipri_toff是次級側(cè)電流在Toff時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為初級測的等效電流，需要注意的是次級側(cè)線圈僅在Toff時間內(nèi)輸出電流。也許我們可以將兩者電流相加作為等效的電感器（等效）電流。

其中ILeq是等效電感電流。如果變壓器還有3個繞組，

這正確嗎？我們來看看基于MAX17682的仿真結(jié)果。以下截圖是在SIMPLIS中繪制的MAX17682典型電路。電流探頭已放置在變壓器的兩側(cè)，分別稱為IPRI和ISEC1。

Figure4MAX17682TypicalCircuiTInSIMPLIS

下面的屏幕截圖是這兩個探頭的瞬態(tài)仿真結(jié)果。我根據(jù)上述方程式添加了這兩個電流波形的和。

Figure5MAX17682Typicalcircuitsimulatecurrentwaveform

顯然，電流相加的結(jié)果（青色）是三角波，就像非隔離BUCK轉(zhuǎn)換器中的電感器一樣。因此，可以很容易地計算出變壓器的初級側(cè)ΔI：

通常，我們將負(fù)載電流紋波分配為直流輸出電流的0.2倍。因此，可以將K分配為匝數(shù)比乘以0.2。同時，初級峰值電流應(yīng)保證小于開關(guān)限制。峰值電流Ipk如下：

而后可以很容易地計算出所需變壓器的初級側(cè)電感值：

通過使用這些參數(shù)，如匝數(shù)比、初級電感、輸出功率、輸出電流、隔離電壓，我們可以決定選擇使用哪個電感器。 為什么Maxim的簡化公式可以使用？ 首次使用MAX17682數(shù)據(jù)手冊時，您可能會懷疑。手冊向我們展示了一個如下屏幕截圖的公式。在度量單位上似乎甚至是錯誤的。我們?nèi)绾慰创@個方程式？我們?nèi)绾卫斫馑?/p>

Figure6MAX17682datasheetshot

根據(jù)以上討論，等式（10）可以在TOFF時間內(nèi)重寫為以下等式。

我們假設(shè)D為0.6，當(dāng)且僅當(dāng)ΔI為0.4A多項式（1-D）和ΔI可以被約分，則等式（11）和數(shù)據(jù)表中的等式相同。顯然，數(shù)據(jù)手冊中的公式已經(jīng)選擇了初級紋波電流。如果我們給D分配0.6，則初級紋波電流為0.4A。在數(shù)量上，TOFF占空比等于初級紋波電流。