如何為隔離式降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器

本教程討論如何為iso降壓轉(zhuǎn)換器選擇變壓器，并回顧為什么使用MAX17681/MAX17682數(shù)據(jù)資料中的簡(jiǎn)化公式。它還概述了隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的基本原理。

介紹

選擇變壓器可能是設(shè)計(jì)隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵過(guò)程。本教程討論隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理、選擇變壓器時(shí)應(yīng)關(guān)注的參數(shù)、這些參數(shù)如何影響變壓器的選擇以及變壓器如何影響電路參數(shù)。

隔離式降壓轉(zhuǎn)換器如何工作？

與降壓轉(zhuǎn)換器一樣，圖1顯示了iso降壓拓?fù)?。通過(guò)用變壓器代替降壓電路中的電感，得到一個(gè)iso降壓轉(zhuǎn)換器。變壓器二次側(cè)有獨(dú)立的接地。

圖1.等降壓拓?fù)洹?/p>

在導(dǎo)通期間，高端開(kāi)關(guān) （QHS） 導(dǎo)通，低端開(kāi)關(guān) （QLS） 關(guān)閉，變壓器磁化電感 （LPRI） 充電?？驁D中的箭頭（圖2）顯示了當(dāng)前的流動(dòng)方向。變壓器初級(jí)電流線性增加。電流斜率取決于（V在， w普里普利）和LPRI。次級(jí)側(cè)二極管（D1）在此時(shí)間間隔內(nèi)反向偏置，并加載來(lái)自C的電流外加載。

圖2.在周期等效電路上。

在關(guān)斷期間（圖3），QHS關(guān)閉，QLS導(dǎo)通，變壓器初級(jí)側(cè)電感放電。初級(jí)電流從QLS流向地，D1正向偏置，次級(jí)電流（N秒） 從第二側(cè)線圈流向 C外和加載。C外在此期間充電。（關(guān)閉QHS并打開(kāi)QLS不能改變當(dāng)前方向，它只會(huì)改變當(dāng)前斜率。正電流減小直到0A，然后負(fù)電流增加）。

圖3.關(guān)斷期等效電路。

哪種規(guī)格會(huì)影響變壓器？

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)聲明和定義一些規(guī)格，因?yàn)樗鼘Q定將使用哪個(gè)組件，特別是在變壓器中。

輸入電壓范圍

輸出電壓

最大占空比

開(kāi)關(guān)頻率

輸出電壓紋波

輸出電流

輸出功率

最大占空比（D）通常在0.4至0.6的范圍內(nèi)分配。最小輸入電壓（VIN_MIN）和最大占空比決定了初級(jí)輸出電壓（V普里普利）。初級(jí)輸出電壓和輸出電壓（V外） 確定變壓器匝數(shù)比。

輸出電流（I外）和輸出功率（P外） 是影響變壓器選擇的關(guān)鍵參數(shù)。輸出電流有助于確定銅線的粗細(xì)，輸出功率決定使用哪種變壓器骨架。骨架的滲透性表明它可以儲(chǔ)存多少能量，以及它可以輸出多少能量。通常，直流輸出電流乘以系數(shù)分配給電感器（變壓器）的紋波電流。占空比和開(kāi)關(guān)頻率用于計(jì)算 T上時(shí)間，而 V在/ 5普里普利，紋波電流決定初級(jí)電感。分配的系數(shù)不能太大或太小，因?yàn)檩^大的系數(shù)會(huì)導(dǎo)致較大的紋波電流。較大的紋波電流可能導(dǎo)致 H 橋電流限值減半，這可能會(huì)損壞 MOSFET。由于其ESR和ESL，較大的紋波電流將導(dǎo)致輸出電容器上的紋波電壓較大。相反，當(dāng)需要極小的紋波電流時(shí)，請(qǐng)使用大電感電感器（變壓器）。它將是一個(gè)大骨架，變壓器繞組的尺寸很大。大電感將限制環(huán)路帶寬和環(huán)路響應(yīng)性能。

選擇變壓器

顯然，能量?jī)H在 T 中轉(zhuǎn)移到次級(jí)關(guān)閉時(shí)間。匝數(shù)比可以通過(guò)以下公式確定：

（公式1）

其中VD是二極管（D1）正向偏置電壓。對(duì)于 Vpri，指定的最大占空比范圍為 0.4 到 0.6。Vpri 可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

（公式2）

其中 D 是最大占空比，VIN_MIN是最小輸入電壓。根據(jù)公式2，計(jì)算匝數(shù)比。由于電感器遵循伏秒平衡低電平，因此所需的電感由以下公式（以T為單位）計(jì)算上時(shí)間：

（公式3）

其中f是開(kāi)關(guān)頻率，ΔI是紋波電流。如前所述，紋波電流等于直流輸出電流乘以系數(shù)：

（公式4）

其中 K 是系數(shù)。但在iso降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲校幸粋€(gè)變壓器而不是電感器。我們?cè)撊绾翁幚?？流?dòng)比率與匝數(shù)比率成反比：

（公式5）

哪里 伊普里托夫是次級(jí)電流，在T期間轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)移到初級(jí)側(cè)關(guān)閉時(shí)間。初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電流的總和可視為等效電感電流。

（公式6）

其中ILeq是等效電感電流。如果變壓器還有三個(gè)繞組，則等式如下：

（公式7）

但這是正確的嗎？讓我們用基于MAX17682的仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證它。圖4所示為MAX17682典型電路的屏幕截圖。電流探頭IPRI和ISEC1放置在變壓器T1的兩側(cè)。

圖4.MAX17682典型電路，采用單程計(jì)算

圖5是兩個(gè)探頭產(chǎn)生的瞬態(tài)仿真的屏幕截圖。使用上述公式將兩個(gè)電流波形相加。

圖5.MAX17682典型電路的仿真電流波形

顯然，增加的電流（青色）會(huì)產(chǎn)生三角波，就像非ISO降壓轉(zhuǎn)換器中的電感一樣。然后可以輕松計(jì)算變壓器初級(jí)ΔI：

（公式8）

通常，分配的負(fù)載電流紋波是直流輸出電流的0.2倍。K 可以分配給 0.2 倍 Nsec/Npri。同時(shí)，應(yīng)保證初級(jí)峰值電流小于限位開(kāi)關(guān)。Ipk 在哪里：

（公式9）

變壓器初級(jí)電感的計(jì)算公式為：

（公式10）

通過(guò)使用匝數(shù)比、初級(jí)電感、輸出功率、輸出電流和隔離電壓參數(shù)，可以決定電感器設(shè)計(jì)。

為什么簡(jiǎn)化方程有效？

選擇電感時(shí)，使用MAX17682數(shù)據(jù)資料（圖6）可能存在一些不確定性。讓我們看看如何更好地理解它并將其用于我們的應(yīng)用程序。

圖6.MAX17682數(shù)據(jù)資料公式

根據(jù)上面的例子，公式10可以重寫(xiě)為遵循T的這個(gè)方程。關(guān)閉時(shí)間。

（公式11）

假設(shè) D 為 0.6，當(dāng)且僅當(dāng) ΔI 為 0.4A，多項(xiàng)式 （1 - D） 和 ΔI 減少。然后，公式11和圖6中的公式相同。數(shù)據(jù)表中的公式已經(jīng)選擇了初級(jí)紋波電流。如果我們將D指定為0.6，則初級(jí)紋波電流為0.4A。在數(shù)量上，T關(guān)閉占空比等于初級(jí)紋波電流。

（公式12）

結(jié)論

通過(guò)使用圖6所示的簡(jiǎn)化公式，用戶可確保設(shè)計(jì)速度更快，初級(jí)紋波電流等于Toff占空比。如果要修改初級(jí)紋波電流或使用其他參數(shù)，本教程討論了如何實(shí)現(xiàn)該電流。

審核編輯：郭婷