1、Flyback反激变换器反激变换器原理与设计简介 原理与设计简介Prepared by： Shuncai LeeDate： 1 Jun ,2011大大纲 纲z 一、反激变换器基本工作原理一、反激变换器基本工作原理z 二、反激变换器的特点及其分类二、反激变换器的特点及其分类 特点特点 - -分类分类 - -典型电路典型电路z 三、反激变换器的变压器设计及其结构 反激变换器的变压器设计及其结构z 四、 电路设计及 电路设计及元器件选择 DCM -CCM 及 CrCM 输入回路（ EMI滤波，整流，滤波等） 功率开关管的设计、驱动与选择 初级漏感吸收网络设计z 五、 反激变换器控制 芯 片及反馈控制
2、环路设计五、 反激变换器控制 芯 片及反馈控制环路设计 输出回路（整流，滤波）反激变换器控制 片及反馈控制环路设计反激变换器控制 片及反馈控制环路设计 控制芯片简介控制芯片简介 - -峰值电流模式控制峰值电流模式控制z 六、反激变换器六、反激变换器 EMI设计与调试的几点建议设计与调试的几点建议Powering the Future反激变换器基本工作原理 _拓扑结构z 基本拓扑结构： 反激变换器就是隔离的 Buck-boost电路 ， 两者 稳态 电压增益方程相似RLC+SDUi+稳态图 1.1 Buck-boost 电路UoLBuck-boostFlybackRC+UiNN+2L1 D1则
3、：当 临界或连续模式MUoUiD1D2=MUoUiD1D21n=UoSD图 1.2 变形的Buck-boost 电路RTs则MUoUiD11D1=MUoUiD11D11n=+UiNpRC+Ns2LRTsD22LRTs1D1当 非连续模式则： 那么：MUoUiD12L=MUoUiD12L1n=SUoD图 1.3 反激电路基本拓扑结构n = Np/NsRTsRTsPowering the Future反激变换器基本工作原理 _工作过程反激变换器工作原理z ： 工作过程分为两个阶段：开关 S（MOSFET etc.) ON期间 和 和 OFF期期+UiNpCNsn = Np/NsIp间间 ON期间：
4、 Vin加在变压器初级绕组上，初级电流上升斜率为 +Vin / Lpri 变压器储存的磁能增加SUo+DIo图 14 TonTime, 。 次级二极管承受反向电压 （ （ Vo+Vin/n)（理想条件下） 电容 C放电，提供能量给负载。图 1.4 To Ti+UiNpCNsn = Np/NsI Off期间：二极管全部（临界或连续）或部分时间（非连续）导通，次级的电流斜率是 Vo / Lsec.Vo / 开关 S（ MOSFET） 上电压是 （ Vi + *VSUo+DIso图 1.5 Toff TimeIs/nIp （ ） （ n n*Vo）（理想条件下） （理想条件下） 变压器给电容充电。
5、开关 S在在 Ton Toff, Toff Ton开关图 tofftoff瞬间， 初次电流关系如下：IpIsn=ttonT连续T非连续tontPowering the Future图 1.6 初级及次级等效电流波形稳态运行方程反激变换器基本工作原理 _稳态运行方程z ：1. Ton时期Vi, Lp为常数时 Lp初级绕组新增储能Lp为常数时新增储能以磁场量 -磁感应强度 B和磁场强度 H以及磁芯体积 V表示Powering the Future反激变换器基本工作原理 _稳态运行方程2. Toff时期Vo, Ls为常数时次级绕组 Toff期间释放能量为Ls为常数时磁场量表示 ：稳态时 很明显不计损
6、耗时， ：E=-E2Powering the Future反激变换器基本工作原理 _变压器工作状态方程3. 独立电压方程独立电压方程4. 受控电压方程受控电压方程Uavg为TD期间加在绕组上电压的平均值D1为MOSFET导通期间，D2是二极管导通期间，连续时 D1+D2=1;非连续时D1+D21 稳态时 伏秒积相等法则,稳态时 ， 伏秒积相等法则 。Powering the Future反激变换器基本工作原理 _稳态时电压、电流和磁化连续非连续 B. 连续A. 非连续VpriVpriVs*nVinVs*nVinIs/nIpIs/nIpttoffTtontoffTtontToff传送能量传送能量
7、去磁/释能Toff 去磁/释能Ton 磁化/储能 Ton 磁化/储能磁芯损耗磁芯损耗Powering the Future反激变换器基本工作原理 _稳态时电压、电流和磁化连续非连续 B. 连续A. 非连续IoUo IoUoIDttofftonICAPtonIDttfftICAPtTtoffTon onPowering the Future反激变换器基本工作原理 _电压电流阻抗折算UnI电压：电流：nZn2R n2阻抗：电阻 ：Ln2C电阻电感：电容 ：n2电容 ：n，匝比，等于转换前的绕组匝数比上转换后的绕组匝数转换后的绕组匝数Powering the Future反激变换器基本工作原理 _气
8、隙效应气隙效应 反激变压器为什么要加气隙 ？z - ？电感储能即电感周围磁场的能量，假定磁场是均匀分布 忽略边缘效应布 有 ：有 ：布 ， ，布 ， ， 有 ：有 ：气隙中的储能；比磁芯中大磁芯中大10来倍！Powering the Future反激变换器基本工作原理 _气隙效应气隙效应 反z -反激变换器依靠磁场储能的充放传递能量，增加气隙的目的就是在相同磁感应强度 Bw下增加单周期磁场储能 。磁芯达到饱和所需的功率增加，增强了抗饱和能力。Powering the Future反激变换器的特点及其分类z 反激电源优点： 结构简单价格便宜，适用小功率电源， 容易实现多路输出，输出电压可正可负、
9、且与输入电压的关系不大 . z 反激电源缺点：功率较小 一般在 150w以下 ， 。 纹波较大，一般达到 1%。电压负载调整率相对较低。 反激电源设计难点主要是变压器的设计，特别是宽输入电压，多路输出的变压器 。z 反激变换器的分类按激励方式 可分为 ：， ：， ： 自激式 如 如 RCC （ Ring Choke Converter） 他激式 如各种 如各种 PWM IC按开关方式，可分为： PWM 硬开关 PWM/PFM PWM/PFM 准谐振按控制方式，可分为： 峰值电流型（常用） 电压型 滞环控制型Powering the Future反激变换器的特点及其分类 _典型线路图F1T3.1
10、5AL/250VacLz 反激电源典型线路图1. 输入过流、防冲击电流，EMC滤波， 整流、滤波电路。4. 输出整流 、 滤波电路 。C4104 275VC6472/400vD2C7 R6C11000uF 25V1 24 3L1C31049812R11M1243LF2C239uF 400V11N1+1+12V1SGND1R4100K1 24 3LF1R21MR31M R51MD1MBR20100T1AVbusCY2102 250V/Y1CY3102 250V/Y1AC3V+1AC2V-4BD1RS205C5104 275V输出整流 、 滤波电路 。2.10.112US1MR1320KR82KR
11、722R92U1SGNDR14C8N/UR920KC9NTC15R/3WVbus1Earth CY4102 250V/Y1R12N/UR11N/UR10N/UC17N/UJ1JUPER8.电压9.启动电路（内置、外置）5. Vcc部分3123Q111N60R19470D3S1MCY1102 250V/Y1R181kC12 223C13C114.7uF 50V123Q24403R204.7RR16223T1C1243OPTOISO1R171kR1522R39K 104OTPCOMPCSGNDOUT5VCCNC7HV8U2C100.1压取样、反馈R250.47RR225.1KR211K221TH1
12、4R241R231U3TL431C15103O1C2C3G4R231KC16101C14104馈、隔离电路7、电流取样6、PWM控制、驱动路2、变压器3、MOSFET10、原级吸收网络11 次级吸收网络Powering the Future、 次级吸收网络反激变换器的变压器设计及其结构z 反激变换器变压器设计：反激变换器变压器设计：（ 1）已知参数根据客户需求就可确定的参数根据客户需求就可确定的参数a. 根据客户需求就可确定的参数 。根据客户需求就可确定的参数 。直流输入电压范围直流输入电压范围 Uimin： Uimax、输出电压、输出电压 Uo、输出功率、输出功率 Po，输出纹波电压，输出纹
13、波电压 Uo_ripple。b. 预估选取的参数预估选取的参数工作效率工作效率 、开关频率 开关频率fs fs（或者最少开关频率（或者最少开关频率fs_min) fs_min)、开关管导通压降 开关管导通压降 UDS、反射电压、反射电压VOR或最大占空比或最大占空比 Dmax，最大磁感应强度，最大磁感应强度 Bmax，电流密度，电流密度 J，初级绕组占窗口面积系数，初级绕组占窗口面积系数Kp，临界模式初级峰值电流，临界模式初级峰值电流 Ipk, TonTon时期初级电流平均值时期初级电流平均值Idc, Idc,电流纹波比电流纹波比 r=I/Idc（ 2） 未知量的确定（ ） 未知量的确定磁芯规
14、格，原边电感Lp，气隙大小lg，原边线圈匝数Np，副边匝数Ns（ 3）选取与调整变压器骨架，变压器结构设计，初次边线径Powering the Future* 除特别说明指出，公式所有度量单位采用国际标准单位。反激变换器的变压器设计及其结构第一步：选取磁芯规格：-APAP计算法; -经验查表法1. AP计算法计算法计算法计算法AP in cm4Bmax in TeslaJ in A/mm2 in A/mm2fs in kHz *AP法只能大致确定磁芯规格，很多因素没 有考虑到，如初次级的ac电流引起的损耗，J的取值与温升要求，散热 条件和变压器的尺寸有关系。Powering the Futur
15、e反激变换器的变压器设计及其结构2. 经验查表法：依据经验数据选取磁芯规格。下表仅供参考。依据经验数据选取磁芯规格。下表仅供参考。输出功率 Po 磁芯 规格（常规尺寸反激 Adaptor） 反激变压器一般用 E 形磁芯，原因是它成本低、易使用。其它类型磁芯 如 EF、 EFD、 ETD0-10W EE13, EE16, EPC17, EE19, EPC1910-20W EE19,EPC19, EFD20, EFD20, EE25, EFD25如 、 、 EER 和 EI 应用在有高度等特殊要求的场合。 RM、 .toroid 和罐形磁芯使用时要特别安全绝缘要求 低外形设计20-30W EE25
16、 EEL2513 EFD25 PQ201630-50W EEL25 EFD25 ER25, RM8, PQ202050-75W LP3213, ER2828,ER3035 RM10, PQ2620, PQ2625绝缘要求 。 低外形设计时 EFD 较好，大功率设计时 ETD 较好，多路输出设计时 EER 较好。75-100W ER35, ETD34, RM12, PQ3220100-120W ETD39, ER40, RM14, PQ3230120W-150W ER42, PQ3535, ETD44, 3. 磁芯材质：磁芯生 产 厂家 材型 号TDK PC40， PC44，Ferroxcube
17、 3C85， 3C90， 3F3Nippon Ceramic NC-2HTDG TP4Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构第二步：计算原边电感Lp（连续模式，非连续为最大值）：第三步：计算气隙长度lg：非连续模式: I=Ipk；连续模式时：电流纹波比r=I/Idc， I=r*Idc=Ipk*r/2 取r=0.4，I=Ipk_*0.2 (Ipk为临界模式时电流峰值）；：计算气隙长度：连续模式时电流峰值Ipk1：Ipk1=Idc+I/2=I/0.4+I/2=3*I;算N第四步：计算初级匝数p：非连续模式: B=Bmax；连续模式时：如取r=0.4， I=Ipk1/3
18、, B=Bmax/3Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构第五步：用法拉第定律重新计算磁感应强度Bmax：（ 正负对称方波时应用 结果是最大值 ）（ 正负对称方波时应用 ， 结果是最大值 ）第六步：次级匝数Ns（含Vcc绕组或多路输出其他绕组匝数）Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构第七步：确定初次级绕组线径1. 1. 先计算绕组电流有效值，然后根据有效值选择线径。先计算绕组电流有效值，然后根据有效值选择线径。适配器或自然对流冷却时，取，适配器或自然对流冷却时，取， 初级绕组电流密度：初级绕组电流密度：3 3-5A/mm5A/mm2
19、次级绕组电流密度：次级绕组电流密度：4 4-7A/mm7A/mm22 根据趋肤效应计算可选最大线径 如果单跟导线载流能力不够 可以使根据趋肤效应计算可选最大线径 如果单跟导线载流能力不够 可以使. 根据趋肤效应计算可选最大线径 ， 如果单跟导线载流能力不够 ， 可以使根据趋肤效应计算可选最大线径 ， 如果单跟导线载流能力不够 ， 可以使用多线并绕用多线并绕 。导线半径不应大于导线半径不应大于1.5 1.5倍的趋肤深度。倍的趋肤深度。Skin=66.1/ Skin=66.1/sqrtsqr (f)；(mm(mm）（）（20 20摄氏度摄氏度) ) Skin=66 1*(1+0 0042*(T-2
20、0)/sqrt（ f）；（）；（ mm) (其他温度 ）其他温度 ） ; 最大线径与频最大线径与频.1(1+0. （ ）；（）；（ 其他温度 ）其他温度 ） ; 最大线径与频最大线径与频率关系如下，率关系如下， 从图中可知，一般情况下开关电源的线径选择在 从图中可知，一般情况下开关电源的线径选择在0.65mm 0.65mm以下以下：最大线径计算最大线径计算(T=70 C)Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构f (Hz) 2k 4k 6k 8k 10k 12k 14k 16k 18k 20k最大 线径 5.132 3.629 2.963 2.566 2.295 2
21、.095 1.940 1.814 1.711 1.623 最大线径（因趋肤效应最大线径（因趋肤效应,取 取Kx=1.5Kx=1.5）与频率的关系）与频率的关系f (Hz) 20k 30k 40k 50k 60k 70k 80k 90k 100k 110k最大 线径 1.623 1.325 1.148 1.026 0.937 0.867 0.811 0.765 0.726 0.692 常用常用AWGAWG线规表线规表Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构3. 3. 常用的绝缘系统是常用的绝缘系统是 130C的，选用对应的漆包线的，选用对应的漆包线或三重绝缘线。如考虑
22、使用或三重绝缘线。如考虑使用 150C的绝缘系统，的绝缘系统，对应的线材也选用对应的线材也选用 150C的高温线。的高温线。第八步：确定骨架及绝缘材料骨架骨架 对骨架的主要要求是确保满足安全爬电 离 初 次级引脚与绕组或磁对骨架的主要要求是确保满足安全爬电 离 初 次级引脚与绕组或磁1. 骨架骨架 ： 对骨架的主要要求是确保满足安全爬电 距 离 ， 初 、 次级引脚与绕组或磁： 对骨架的主要要求是确保满足安全爬电 距 离 ， 初 、 次级引脚与绕组或磁芯之间的距离，初、次级绕组之间距离要求。特殊情 况下，绕组或（和）磁芯芯之间的距离，初、次级绕组之间距离要求。特殊情 况下，绕组或（和）磁芯包胶
23、带，或采用飞线出线来满足绝缘要求。包胶带，或采用飞线出线来满足绝缘要求。 骨架要用能承受焊接温度材料制作 骨架要用能承受焊接温度材料制作。2. 2. 绝缘胶带绝缘胶带 ：最常用有聚酯和聚酯薄膜绝缘胶带，它能定做成所需的基本绝缘宽 ：最常用有聚酯和聚酯薄膜绝缘胶带，它能定做成所需的基本绝缘宽度或初、次级全绝缘宽度。挡墙胶带通常较厚，少数 几层就能达到要求，它通度或初、次级全绝缘宽度。挡墙胶带通常较厚，少数 几层就能达到要求，它通常是聚酯胶带。常是聚酯胶带。Powering the Future算变损耗反激变换器的变压器设计及其结构 _损耗计算计压器损耗：1. 1. 磁芯损耗（铁损）：磁滞损耗磁芯
24、损耗（铁损）：磁滞损耗Ph, Ph, 涡流损耗涡流损耗Pe Pe;也可以查磁芯材料手册用下列也可以查磁芯材料手册用下列公式求得。公式求得。Pcv单位磁芯损耗Ncore_number磁芯数Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构 _损耗计算2. 绕组损耗（铜损）：直流损耗，由于存在趋肤效应 邻近效应 边缘磁通 旁路磁通和气隙扩散磁通效应引由于存在趋肤效应 邻近效应 边缘磁通 旁路磁通和气隙扩散磁通效应引交流损耗由于存在趋肤效应 ， 邻近效应 、 边缘磁通 、 旁路磁通和气隙扩散磁通效应引由于存在趋肤效应 ， 邻近效应 、 边缘磁通 、 旁路磁通和气隙扩散磁通效应引起涡
25、流、绕组的交流损耗不可忽视。电流 斜率的大小决定了各次谐波的峰值，起涡流、绕组的交流损耗不可忽视。电流 斜率的大小决定了各次谐波的峰值，电流的峰值又决定了交流损耗。电流的峰值又决定了交流损耗。 CCM CCM下电流各次谐波的峰值小于下电流各次谐波的峰值小于DCM DCM下电下电流各次谐波峰值，流各次谐波峰值，DCM DCM比比CCMCCM具有更大的绕组交流损耗。在功率较大时采具有更大的绕组交流损耗。在功率较大时采用三明治绕法 交叉换位 应用分布气隙有效减少交流损耗用三明治绕法 交叉换位 应用分布气隙有效减少交流损耗用三明治绕法 ， 交叉换位 、 应用分布气隙有效减少交流损耗 。用三明治绕法 ，
26、 交叉换位 、 应用分布气隙有效减少交流损耗 。Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构变压器结构 绕组间绝缘要求1. 普通漆包线和挡墙结构z 安全规范对于使用漆包线的变压器有如下的要求： 初级和次级 初级和次级绕组之间要保证加强绝缘；初级和没有加强绝缘的次级绕组之间要保证足够的爬电距离；满足如上要求的典型挡墙如下：挡墙胶带常较少数 能达 求 它常 胶带带 通 常较 厚 少数 几层就 能达 到要 求 ， 它 通 常 是聚酯 胶带 。带 通 常较 厚 少数 几层就 能达 到要 求 ， 它 通 常 是聚酯 胶带 。z 在初级绕组的层与层之间及初级和偏置绕组之间都使用基本
27、绝缘（ 一 层胶带 ， 但没有硬性要求 ）。 在次级绕组的层与层之间也可（ 一 层胶带 ， 但没有硬性要求 ）。（ 层胶带 ， 但没有硬性要求 ）。（ 层胶带 ， 但没有硬性要求 ）。使用一层胶带，这样可以保证第一层次级绕组的表面平整。z 初级偏置绕组和次级绕组之间使用加强绝缘（三层胶带）。完成绕制时次级最外层的三层胶带提供了加强绝缘 在所有绕组的起。始端和结束端引线上都使用了绝缘套管Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构挡墙结构Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构z 三层绝缘线具有三层独立的绝缘层，任意两层都可以承受安规要求的30
28、00 VRMS的耐压测试电压 三层绝缘线因而可以满足的耐压测试电压2. 采用三重绝缘线的耐压测试电压 。的耐压测试电压 。VDE/IEC/CCCVDE/IEC/CCC规范中关于加强绝缘的要求。规范中关于加强绝缘的要求。z 使用三层绝缘线设计变压器一般不需要加入挡墙，可以增加变压器空间利用率间利用率间利用率 。间利用率 。z 一般来讲，同等功率能力的变压器，采用三层绝缘线结构的变压器与采用漆 包 线 的 相 比 ， 其大 小 为漆 包 线结构 的采用漆 包 线 的 相 比 ， 其大 小 为漆 包 的1 /21 2至至2 /32 3。 漏 感的 变化 与。 漏 变化 与采用漆线相 ， 为漆 线结构
29、， 漏变化变压器绕组的宽度成反比，因此，三层绝缘线 绕制的变压器的漏感通 绕制的变压器的漏感通常低于同等用漆包线绕制的变压器小。Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构变压器结构 绕组安排1. 初级绕组z 初级绕组一般放在最里层，这样有两个有优点，一是使其每平均匝长最短，以减少初级绕组的杂散电容；二是外层的绕组可以屏蔽初级绕组。初级绕组的起始点接蔽初级绕组。初级绕组的起始点接MOSFET MOSFET的漏极，使得的漏极，使得dv dv/dtdt最大的部分能被其他绕组屏蔽 以减少最大的部分能被其他绕组屏蔽 EMI最大的部分能被其他绕组屏蔽 ，最大的部分能被其他绕组屏蔽
30、 ， 。2. 初级初级VCCVCC绕组绕组初级初级 绕组的位置与反馈 样点有关系 如反馈 样安排在初z 初级初级 VCC绕组的位置与反馈 取 样点有关系 。 如反馈 取 样安排在初绕组的位置与反馈 取 。 如反馈 取级则级则 初级初级 VCCVCC绕组安排在最外层。加强绕组安排在最外层。加强 初级初级 VCCVCC绕组与次级绕组绕组与次级绕组的耦合系数同时，又减少其与初级绕组的耦合，从而提高输出电压稳压精度压稳压精度压稳压精度 。压稳压精度 。z 如从次级取样反馈，则初级如从次级取样反馈，则初级VCC VCC绕组放置在初级绕组与次级绕组绕组放置在初级绕组与次级绕组之间，起到之间，起到EMI E
31、MI屏蔽作用。屏蔽作用。z 一般一般 初级初级VCCVCC绕组要均匀分布占满一层。可以使用多股线并绕提绕组要均匀分布占满一层。可以使用多股线并绕提高线包的平整度。高线包的平整度。Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构初级初级VCCVCC绕组放置位置绕组放置位置Powering the Future反激变换器的变压器设计及其结构变压器结构 绕组安排3. 次级绕组对应多路输出，则最大功率的次级绕组最靠近初级绕组以减少漏感隔离多路输出可以使用多绕组并绕 ， 加强各绕组之间的耦合 。隔离多路输出可以使用多绕组并绕 ， 。隔离多路输出可以使用多绕组并绕 ， 。隔离多路输出可以使用多绕组并绕 ， 。对于不隔离多路输出，可以使用绕组叠层绕法，这样可以增加耦合系数。耦合系数。绕组要均匀分布在一层，以加强耦合。Powering the Future
