反激变换器Flyback的设计和计算步骤.doc

反激变换器(Flyback)的设计和计算步骤齐纳管吸收漏感能量的反激变换器:0.设计前需要确定的参数A开关管Q的耐压值：VmqB输入电压范围：Vinmin〜VinmaxC输出电压VoD电源额定输出功率：Po(或负载电流Io)E电源效率：XF电流/磁通密度纹波率：r(取0.5,见注释C)G工作频率：fH最大输出电压纹波：Vopp1. 齐纳管DZ的稳压值VzVz<=Vmqx95%-Vinmax,开关管Q承受的电压是Vin+Vz,在Vinmax处还应为Vmq保留5%裕量，因此有Vinmax+Vz

5. 负载电流Io10 =Po/Vo,如果有多个二次绕组，可以用单一输出等效6. 一次侧有效负载电流IorIor=Io/n,由IorxNp=IoxNs得来7. 占空比DD=Iin/(Iin+Ior)，其中Iin=Pin/Vin,而Pin=Po/X这里Vin取Vinmin见注释B)&二次电流斜坡中心值II11 =Io/(1-D)9. 一次电流斜坡中心值IlrIlr=Il/n10. 峰值开关电流IpkIpk=(1+0.5xr)xIlr11. 伏秒数EtEt=VinminxD/f,(Et=VonxTon=VinminxD/f)12. 一次电感LpLp=Et/(Ilrxr)13. 磁芯选择(1) Ve=0.7x(((2+r)A2)/r)x(Pin/f),Ve单位cmA3；f单位KHz，根据此式确定磁芯有效体积Ve，寻找符合此要求的磁芯见注释D)(2) 最适合反激变压器的磁芯是“ECores”和“UCores”，“ETD"、”ER"、“RM"这三种用于反激性能一般，而“PlanarE”、“EFD"、”EP"、“P"、”Ring"型不适合反激变压器3) 材质选锰锌铁氧体，PC40比较常用且经济14. 一次匝数NpNp=(1+2/r)x(VonxD)/(2xBpkxAexf),其中Von=Vinmin-Vq,Vq是开关管Q的导通压降；Bpk不能超过0.3T,—般反激变压器取0.3T；Ae是磁芯的有效截面积，从所选磁芯的参数中查的。

公式推导见注释E,说明见注释F)15.二次匝数NsNs=Np/n,此值小数不可忽略时向上取整，如1.62T取2T,然后重新计算Np=Nsxn16. 匝数调整后实际磁通密度变化范围验证Bpk=BpkOxNpO/Np,BpkO、NpO是调整前的磁通密度峰值和一次匝数根据：Bpk与匝数成反比)dB=(2r/(r+2))xBpk17. 气隙系数zz=(1/Lp)x(uxu0xAe/le)xNpA2，其中u是磁芯材料的相对磁导率，Ae、le分别是磁芯的有效截面积和有效长度,这些参数由磁芯手册提供,u0是真空磁导率,值为4xPIx10A(-7)见注释G)18. 气隙长度lglg=lex(z-1)/u,其中u是磁芯材料的相对磁导率见注释G)19. 绕组导线的集肤深度hh=66.1x(1+0.0042x(T-20))/fA0.5，所得单位为mm,其中T是工作温度，可取80，即最高环境温度40摄氏度时可以有40度的温升20. 绕组导线的线径dd=2h,若选用铜皮，则铜皮厚度同样按此计算，即2h21. 绕组导线的电流承载能力ImIm=PIx(d/2)A2xJ,其中J是电流密度，反激变压器一般取典型值493A/cmA2(400cmil/A)。

22. 一次绕组导线的股数MpMp=Ilr/Im23. 二次绕组导线的股数MsMs=Il/Im24. 确定变压器组装结构根据上面计算的变压器各项参数，合理安排绕组排列、绝缘安排等，绕组安排(从磁芯由近及远)可参考如下：(1)一般排列是，一次，二次，反馈2) 二次，反馈，一次，这种排法有利于一次绕组对磁芯的绝缘安排3)一半一次，二次/反馈，一半一次，这种排法有利于减少漏感25. 输出二极管的额定电流IdmIdm=2xIo(见注释H)26. 输出二极管的额定电压VdmVdm=(1+20%)x(Vo+Vinmax/n)(见注释I)27.开关管的额定电流IqmIqm=2xIlrx(Dx(1+存2/12))人0.5(见注释J)28.开关管的额定耐压VqmVqm=(1+20%)x(Vor+Vinmax)(见注释K)29.输入电容值CinCin=KcpxPo/X,系数Kcp取经验值3uF/W30.输入电容额定电流纹波IcindIcind=Ilrx(Dx(1-D+rA2/12))A0.5(见注释L)31.输入电容的耐压VcinVcin=(1+30%)xVinmax,30%为保留裕量32. 输出电容值CoCo=IoxD/(fxVopp),(见注释M)33. 输出电容额定电流纹波IcodIcod=Iox((D+rA2/12)/(1-D))A0.5(见注释N)34. 输出电容的耐压VcoVco=(1+30%)xVo，30%为保留裕量。

35. 反向二极管D1的耐压Vd1Vd1=(1+20%)xVinmax，20%为保留的裕量36. 反向二极管的电流Id1Id1=0.2xIlr(见注释O)37. 漏感LlkLlk=Lpx0.05，根据经验取一次电感的5%,—般反激变压器为2%〜20%38. 齐纳管功率PzPz=LlkxIpkA2x(Vz/(Vz-Vor))xf,此处为2倍计算的功率值以留足够裕量见注释A)齐纳管损耗可能会比较大，以致无法找到合适器件，所以需要对尖峰吸收电路进行更改实际应用中一般较多采用RCD电路对漏感尖峰进行吸收，下面的计算针对此RCD电路RCD吸收漏感能量的反激变换器:D0lEoFlyback拓扑-RCD39. RCD电路电容最大电压Vcmax(见注释P)Vcmax=Vor/D40. RCD电路电容值Crcd(见注释P)Cred=IpkA2xLlk/(VcmaxA2x(1-eA(2xln(D)/(1-D)))41. RCD电路电阻值Rrcd(见注释P)Rrcd=(D-1)/(Cxfxln(D))42. RCD电路电阻功率Pr(见注释P)Pr=LlkxIpkA2xf,此值为2倍的电阻实际消耗功率，以留出足够裕量。

如果漏感损耗较大，或考虑进一步提高效率，齐纳管钳位和RCD吸收都无法满足要求，可以考虑LCD无损吸收网络，它可以把漏感能量重新返回输入电容，下面的计算针对此部分LCD无损吸收的反激变换器:43. 缓冲电容低压Vcr0(见注释Q)VcrO=Vor(根据情况可选择略高于此值)44. 缓冲电容高压Vcr1(见注释Q)Vcr1=kxVcrO,k是系数，可根据情况选1.5〜3,也可以更高，但需注意Q的耐压45. 缓冲电容值Cr(见注释Q)Cr=LlkxIpkA2/(Vcr1A2-VcrOA2)46. 储能电感值Lr(见注释Q)Lr=Lr=人2/(CrxfA2x(arccos(Vcr0/Vcr1))A2)47. 储能电感额定电流Ilrm(见注释Q)Ilrm=1.5x(Cr/Lr)A0.5xVcr1xsin(D/(fx(LrxCr)A0.5)),此值为最大电流值的1.5倍，考虑了留出裕量至此电路中所有元件的主要参数计算完毕注释A齐纳管钳位损耗Pz=0.5xLlkxIpkA2x(Vz/(Vz-Vor))xf,其中Llk是所有漏感--不只是一次漏感Llkp,Ipk是一次电流的峰值通过此式可看出若Vz接近Vor,贝损耗巨大;若以Vz/Vor为变量画出钳位损耗的曲线，则所有情况下，Vz/Vor=1.4均为曲线上的明显下降点。

B1.变压器中电流情况有Iin/D=Ior/(1-D),由此得D=Iin/(Iin+Ior)；2.所有设计均在Vinmin下进行C设计离线变压器时，考虑降低损耗、减小体积等原因，通常将r设定为0.5左右D反激电源变压器一般绕线不成问题，即不大设计窗口面积使用问题，所以不必用AP法EVon=NpxAex(dB/dt)->Vonxdt=NpxAexdB->Np=(Vonxdt)/(dBxAe)=(VonxD/f)/(dBxAe)=(VonxD)/(dBxAexf)=(VonxD)/((2r/(r+2))xBpkxAexf)=(1+2/r)x(VonxD)/(2xBpkxAexf)FNp计算完后应验证此值是否适合磁芯的窗口面积，及骨架、隔离带、安全胶带、二次绕组和套管等，通常在反激变压器中这些都不会有问题；如果需要减少Np,可以考虑增大r，减小D,或增大磁芯面积，但磁导率和气隙不会解决问题G电感与磁导率的相关方程：L=(1/z)x(uxu0xAe/le)xNA2,其中气隙系数z=(le+uxlg)/le对于铁氧体材料的气隙变压器，z取值10〜20是较好的折中选择H反激(buck-boost)中二极管平均电流等于负载电流Io,损耗是Pd=IoxVd，而二极管正向压降Vd随其额定电流上升而下降，故折中考虑，选取其额定电流为2xIo。

IBuck-boost中二极管最大承压是Vinmax+Vo,在反激中Vinmax折算到二次侧为Vinmax/n，同时给额定值留出20%的裕量，所以最终选择二极管的额定耐压定位Vdm=Vdm=(1+20%)x(Vo+Vinmax/n)J对所有拓扑，开关管有效值电流在Dmax处最大，且Iqrms=Il_dmaxx(Dmaxx(1+r_dmaxA2/12))A0.5,开关管的损耗Pq=IqrmsA2xRds，其中Rds是开关管的正向压降，此压降随开关管的额定电流增大而减小，所以折中选择开关管的额定电流为2xIqrmsKBuck-boost中开关管最大承压是Vinmax+Vo,在反激变换器中Vo折算到一次侧为Vor,同时给额定值预留20%的裕量，所以最终选择开关管的耐压为Vqm=(1+20%)x(Vor+Vinmax)LBuck-boost中输入电容最恶劣电流有效值发生在Dmax，其值为Irms_cin=Il_dmaxx(Dmaxx(1-Dmax+r_dmaxA2/12))A0.5，一般选择电容时其额定纹波电流应等于或大于此值M根据如下：Co实际上需要维持t_on时的电荷流失，此电荷量为dQ=Ioxt_on,而此时电容电压的变化是dUco=dQ/Co=Vopp，由此得Co=loxt_on/Vopp。

NBuck-boost中输出电容最恶劣有效值发生在Dmax，其值为Irms_co=Iox((Dmax+r_dmaxA2/12)/(1-Dmax))A0.5，一般选择电容是器额定纹波电流应等于或大于此值O考虑漏感电流不超过一次绕组电流的20%，仅为估计，无计算根据PRCD电路的分析和计算如下：(1) 工作过程：开关管截。