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AC/DC

採用AC/DC PWM方式的返馳式轉換器設計方法

設計絕緣型返馳式轉換器電路:設計變壓器(算出數值)

返馳式轉換器設計必要的變壓器時,從依據電源規格,算出設計變壓器上必要的數值開始。基本上利用各自的公式進行計算。設計變壓器相關資料,會寫在該設計所使用的IC1的BM1P061FJ應用備忘錄上面,設計時可以多參考看看。本段放大說明部分的電路圖,幫助大家更容易了解說明內容。整個電路請參照「設計範例電路」。

本電路圖截取範例電路中的變壓器T1部分。變壓器T1除了輸入用的一次側線圈Np,以及輸出用的二次側線圈Ns外,還包含IC1產生VCC電壓的線圈Nd在內。

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變壓器T1設計步驟
下方為設計變壓器時的步驟。依下列順序計算出數值,並導出下表變壓器的參數。線圈和流動電流的記號,請參照右下方的變壓器簡略圖。

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①設定返馳電壓VOR
②計算二次側線圈電感Ls、二次側的最大電流Ispk
③計算一次側線圈電感Lp、一次側最大電流Ippk
④決定變壓器尺寸
⑤計算一次側線圈數Np
⑥計算二次側線圈數Ns
⑦計算VCC線圈數Nd

變壓器T1參數導出值

線圈 尺寸
Lp 電感
Np 線圈數
Ns 線圈數
Nd 線圈數

① 設定返馳電壓VOR

返馳電壓VOR數值是VO(二次側Vout加上二次側二極體D6的VF)乘上變壓器線圈比值Np:Ns。設定該返馳電壓VOR,來決定線圈比值Np:Ns和Duty比值。基本公式和範例如下。

acdc851_formulas01

例如線圈比Np:Ns為5.385,Duty(max)將是0.424。根據經驗法則,Duty(max)以低於0.5較佳。計算後Duty超過0.5時,請調整VOR。

若從返馳式轉換器運轉原理來看,為了讓施加在一次側線圈的開關用電晶體Vds,也就是VIN+VOR更加明確,而從設定返馳式電壓VOR開始。另外,一開始也能夠採用例如先設定最大Duty比等其他方法。

返馳電路運轉和各電壓相關詳細內容,請參照「返馳式轉換器的基本電路和特色」之「PWM控制型返馳式轉換器的運轉(連續模式)」此一項目。

② 計算二次側線圈電感Ls、二次側最大電流Ispk

接著算出二次側線圈電感Ls和二次側最大電流Ispk。以下公式成立在本範例電路為不連續模式此條件下,相等時刻即是臨界點(連續模式和不連續模式的分歧點)。負載電流達到Iomax時亦為臨界點。

考量到過負載保護點等的上限,最大負載電流為Iout的1.2倍。Iout規格為3A,因此Iomax設定為3.6A。Vout=的規格為12V,VF和Duty使用經由公式①計算出來的數值。

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經由上方公式,算出二次側線圈電感Ls=8.6μH,以及二次側最大電流Ispk=12.5A。另外,也提供一次側電流波形和二次側電流波供各位參考。

③ 計算一次側線圈電感Lp、一次側最大電流Ippk

依照下方公式,套入上方的計算結果,計算出一次側線圈電感Lp和一次側最大電流Ippk。

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這裡計算出來的Lp將作為變壓器T1的參數。

④ 決定變壓器的尺寸

變壓器鐵線尺寸是根據輸出功率Po(W)來決定。返馳式轉換器一般輸出功率,和鐵芯尺寸之間的關聯性如下表所示。在本設計範例中Po=36W,因此鐵芯尺寸選擇EER28。

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輸出功率Po(W) 鐵芯尺寸 鐵芯斷面積Ae(mm2
~ 30 EI25/EE25 41
~ 60 EI28/EE28/EER28 84

※上述數值為大略標準。詳細內容請向變壓器廠商確認。

⑤ 計算一次側線圈數Np

一次側線圈數Np一開始時,磁束密度必須設定在容許範圍內。請依照下列公式計算。一般磁鐵芯的磁束密度B(T)最大值為0.4T@100℃,所以Bsat=0.35T,帶入Lp和Ippk後算出一次側的線圈數Np。

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接著,為了避免發生磁飽和現象,根據AL-Value-NI特性來設定Np。此時,必須要滿足Bsat的條件計算公式。

AL-Value=280nH/turns2時:
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當Lp為249μH且繞30圈時,AL-Value為249μH/302≒276.7nH/turns2

經由下方公式計算出NI值。

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因為已經算出AL-Value和NI,因此可以從EER28鐵芯尺寸的AL-Value-NI特性圖,確認未超出容許範圍。如果超出範圍就必須調整Np。

⑥ 計算二次側線圈數Ns

在算出一次側線圈數後,接著計算二次側線圈數Ns。先前已經算出一次側線圈Np為34圈,Np:Ns為5:1,將這些數值套入下列公式內。

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⑦ 計算VCC線圈數Nd

最後計算IC1產生VCC的線圈繞捲數。

VCC為15V,從線圈流出,透過二極體D6轉換成二極體的VF,且VF_vcc為1V時,

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這一段算出決定變壓器規格的數值。一開始加入依照規格表計算出來的數值後,再根據該規格來設計構造

鐵芯 JFE MB3 EER28.5A 或替換品
Lp 249 μH
Np 30 圈
Ns 6 圈
Nd 8 圈

整篇讀起來會覺得公式非常多,但其實已經算是較為簡單的公式,請各位務必試著計算看看。決定大略規格後,可以在獲得IC製造廠和變壓器廠商協助之下,繼續設計變壓器。

重點:

・基本上必須設計適用於設計電路的變壓器。

・有不少工程師覺得設計變壓器非常麻煩,因此可以尋求IC製造廠和變壓器廠商支援。


PWM返馳式轉換器設計範例