开关电源Royal_线路解说-000704

1、Royer 線路解說Date ：2000年7月4日. .w 電路原理變壓器算法w 變壓器結構w 設計注意事項w 影響輸出電壓的因數w 短路電流大小1. 電路原理：（以CEUS0509的線路作為實例解說）Royer的電路架構，原屬西屋公司的專利，目前已經過期，一般稱為：電子變壓器，它是利用Q1、Q2及變壓器飽和的原理，使初級側產生Duty = 50 %的方波，利用變壓器N1：N2V1：V2的圈比關係，使次級端產生感應電壓，當需要輸出電壓大一點，就把次級圈數繞多一點.，基本電路如下：(a). 線路圖(b). 鐵心的B-H 曲線(c). 施加於變壓器N1、N2電感上的電壓與磁通密度T1T0(a). 令磁通為，加在繞組N圈上的電壓V，根據法拉第定律，可以下式表示：V = N *（ddt）.（2-12）(b). 將上式兩邊以半週期積分運算（所謂積分就是算這半週期T0T1之電壓*時間的面積，就是常說的E-T常數），令 B * Ae （磁通量磁通密度 * 截面積），則其公式如下：( 1N ) * V * dt = Ae * B ( +B = -B ) .（2-13）積分的時間 t 係介於0 T2 （

2、T0 T1）半個週期之內，此期間內之磁通密度變化，介於 B B 的 2B 範圍內，由式子（2-13）可以求得( V * T ) ( 2 * N ) = 2 * Ae * B .（2-14）V = 4 * N * Ae * B T .（2-15） T 2 *TON( Duty 50 % ) 及 f 1 TV = 2 * N * Ae * B TON .（2-15）V = 4 * N * Ae * B * f .（2-16）N =（ V * TON ）（ 2 * Ae * B ） .（2-17）上式若磁通密度的單位為 高斯（Gauss），Ae 的單位為cm2，則（2-16）式又可寫作：V = 4 * N * Ae * B * f* 10 - 8 .（2-18）我已經將上述公式輸入到Excel 的表格內，只要把現有的參數輸入，即可得到希望的圈數1.1. Q1啟動：輸入+5V經由R1= N5、N6後分別接到Q1、Q2的基極（Base)，假設Q1的VBE比較小，Q1先ON，啟始IB電流流進Q1基極。此時Q1的集極（Collector）因為輸入5V早已經過N1而跨接5V等著，當Q1 Base有IB

3、1 時，利用晶體值的關係，而使IC1IB1，於是電流從+5V = N1 = Q1 = GND-P請注意N1、N5的起繞點，因為極性的關係，當N1的電流增加，N5的電流也跟著增加，於是Q1很快的進入飽和區Q1保持ON的時間，由變壓器的N1圈數決定. TON =（2 * BMAX * Ae * Np）VINFig. ( 1.1.A)例如：以手上現有樣品CFUS0509-C為例，原先的圈數 = 初級（Np）：次級（Ns） 15：33輸入電壓與Q1的波形比較：（電壓低 = TON大，電壓高 = TON小）(1). Vin = 4.7 V，TON= 12.5 uS(2). Vin = 5.0 V，TON= 11.7 uS(3).Vin = 5.3 V，TON= 11.1 uS項次數值單位名詞解釋計算式（忽略VCE、VF）BMAX=4580Gauss磁通密度TON =（2 * BMAX * Ae * Np）VINAe=0.04282 CM2鐵心截面積TON =（2 * 4580* 0.04282 * 15）5* 0.01Np=15圈初級圈數TON =11.76 uSVin=5伏特輸入電壓註：（1）

4、TON算式中* 0.01是單位換算時的比例係數（2）BMAX 係從材料表得知鐵心為Steward 的 # 33T材質，Bs約為4700（Steward型錄Page 8），因為從波形測得TON11.7 uS，於是利用Excel 試算表微調，得到實際BMAX約4580 Gauss，附上的Excel公式則又把電晶體、二極體的壓降包含進去。（3）平常利用LCR Meter量電感分辨u值，如今利用Royer線路從頻率的大小，可以反推BMAX，例如：每一批鐵心進料時，繞上CFUS0509的圈數，測試TON就可以辨別鐵心是否正確，TON小（頻率高）表示BMAX小。當Q1 ON時，初、次級電流路徑如下圖所示：流過Q1的最大電流 IB1，而IB1的大小則由R1與N5決定（它是一條串連回路），N5越多圈，IB1就越大，請試繞一下就會瞭解），Q1很快進入飽和區。其他半導體的工作說明如下： Q2因為N6的極性關係，好像在Q2的VBE加逆電壓，使Q2進入截區 次級N3的極性允許電流流經D1A，使N3的感應電壓如下：（忽略Q 1 之VCE、D1A 之VF）VN3 5V （N3N1） 5 （2311）10.45V

5、（實際考慮半導體壓降時會更低） C3上的電壓 VN3 VD1A 10.45V 1.5V 8.95V KDS-184的規格上寫 IF 100 mA時VF 1.2V，CEUS0509輸出電流200 mA，顯然超出規格1.2. Q1關閉：先前提到電子變壓器是利用變壓器的飽和來產生方波振盪，在此要請各位回憶一下磁滯曲線，Q1持續ON，超過變壓器的E-T常數（V-uS）時，變壓器就進入飽和區，所謂飽和就是磁通量不再隨時間的變化而變化Bt = 0，將產生下列情形：(a). 變壓器失去功能，表示N5、N6不再感應電壓，VN5、VN6 0，表示IB1 0(b). 初級（N1）電感迅速減少，形同空心的線包，VN1的電壓 N1漆包線內阻 * IC1 0 ，而 VINVN1VCE1 表示VCE1 5V(c). 從電晶體的特性曲線可以看出：VCE1 5V IB1 0，表示Q1將進入截止區1.3. Q2啟動：當Q1變成OFF時，因為磁場能量不滅，變壓器的繞組電壓極性反轉，N6的極性變成適合驅動Q2的基極，將在Q2上產生與Q1類似的電流路徑：(a). Q2電流路徑：5V = N2 = Q2 = GND-P(b).

6、 N6將驅使Q2很快進入飽和區(c). 次級電流路徑：N4 = D1B = C3CFUS0509之Q1、Q2的測試波形如下：(1).為重載，TON24.6 uS，(2).為空載，TON23.8 uS(1). Vin = 5 V，Load = 200 mA(2). Vin = 5 V，Load = 0 A2. 變壓器結構：Royer 架構的DCDC變壓器 與Pulse Transformer的繞線原則完全相同，漏感越小，電壓耦合越好2.1. N1N2 與 N3N4 呈360平均重疊繞 - 電壓耦合最好，如果能夠先絞線，漏感極低2.2. N1N2 與 N3N4 各佔半邊180分開繞 - 電壓耦合最差（短路電流較大）2.3. N5、N6疏繞180，平均重疊繞在N1N2 - 驅動電壓耦合良好2.4. N5、N6密繞， 約10 15疊繞在N1N2中間- 驅動電壓耦合較差（推測短路電流可能較小）註：因為我手上材料較欠缺，能否幫忙試驗2.3與2.4對短路電流的影響3. 設計注意事項：3.1. Q1、Q2的VCEO耐壓是否大於VCE Peak，目前測得CFUS0509的Q1 VCE Peak18V，晶

7、體為HSD1616A，因手上無目錄可查，不曉得是否合格，選用的原則是80%使用率，使用耐壓太大者，VCE變大，使整體效率變差3.2. N5、N6上感應的VPEAK，是否大於VEBO，目前測得VEBO 4.5V，VEBO PEAK 9V，請注意圈數是否太多3.3. 輸出二極體的逆向耐壓，是否大於實測的逆向耐壓PEAK值，KDS-184 = 80 V3.4. 輸出二極體的順向壓降，是否大於設計值（次級電壓VF輸出電壓），KDS-184 VF 1.2 V3.5. 輸出二極體的順向電流規格值，是否大於輸出電流值，KDS-184 IF100 mA / 80V4. 影響輸出電壓的因數：從之前的圈比關係得知，下列因素影響輸出電壓：4.1. 輸出二極體的順向電壓4.2. 變壓器初次級的繞線方式，因為已經是舊機種，繞線方式應該不會出問題4.3. 電晶體的飽和電壓，VEC如果變大，將使輸出電壓降低4.4. 鐵心的BMAX變動（可以從震盪頻率得知鐵心的差異，BMAX變小 = 頻率變高）5. 短路電流大小：5.1. 震盪頻率越高，短路電流較小，提議的14：30圈比，因為初級圈數增加，造成TON也增加 =頻率下降，短路電流上升5.2. 震盪頻率越高，輸出Ripple較小，提議的14：30圈比，因頻率較低 = 輸出Ripple較大5.3. 短路電流會隨持續短路時間的加長而變大，終至燒毀，因為剛短路時，震盪頻率會很高 = 短路電流較小，持續久了之後，半導體發熱，VCE、VF等壓降上升，震盪頻率會下降 = 短路電流升高5.4. 繞線的方式會影響初始短路電流的大小5.5. 基極驅動的圈數及繞線的方式，也會影響初始短路電流的大小- 优选

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