【導(dǎo)讀】本文闡述隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理，以及應(yīng)如何選擇變壓器，這是設(shè)計(jì)隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵，并探討在選擇變壓器時應(yīng)考慮哪些參數(shù)、應(yīng)采用哪些數(shù)學(xué)公式進(jìn)行運(yùn)算，以及這些參數(shù)會如何影響整個電路。
本文闡述隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理，以及應(yīng)如何選擇變壓器，這是設(shè)計(jì)隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵，并探討在選擇變壓器時應(yīng)考慮哪些參數(shù)、應(yīng)采用哪些數(shù)學(xué)公式進(jìn)行運(yùn)算，以及這些參數(shù)會如何影響整個電路。
隔離式降壓拓?fù)渑c通用降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)湎嗨?，如圖1所示。使用變壓器替換降壓電路中的電感器，就可以得到隔離式降壓轉(zhuǎn)換器。變壓器的副邊可以獨(dú)立接地。
圖1. 隔離式降壓拓?fù)洹?/p>
在導(dǎo)通期間，高側(cè)開關(guān)管(QHS)接通，低側(cè)開關(guān)管(QLS)斷開。變壓器的磁化電感(LPRI)此時被充電。電流方向如圖2中的箭頭所示。原邊電流隨時間線性增加。電流的斜率取決于(VIN – VPRI)和 LPRI。在此時段內(nèi)，副邊二極管D1反向偏置，電流從輸出電容 (COUT)傳輸至負(fù)載。
圖2. 導(dǎo)通時段等效電路。
在關(guān)斷期間，QHS斷開，QLS接通。原邊電感放電。原邊電流從 QLS流向地，D1正向偏置，副邊電流從副邊線圈流向COUT和負(fù)載。在此時段，輸出電容（COUT）被充電。（斷開QHS和接通QLS不會改變電流方向；只會改變電流坡度。在正電流降至0 A之后，反向電流開始增大。）
圖3. 關(guān)斷時段等效電路。
在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時，應(yīng)明確指定一些規(guī)格參數(shù)。它們將決定電路選用哪些器件尤其是選用那個變壓器。
輸入電壓范圍
輸出電壓
最大占空比
開關(guān)頻率
輸出電壓紋波
輸出電流
輸出功率
最大占空比(D)通常介于0.4至0.6之間。最小輸入電壓(VIN_MIN)和最大占空比將決定原邊輸出電壓(VPRI)。原邊輸出電壓(VPRI)和副邊輸出電壓(VOUT)將決定變壓器的匝數(shù)比。
輸出電流(IOUT)和輸出功率(POUT)是影響變壓器選擇的重要參數(shù)。輸出電流決定銅線的粗細(xì)，輸出功率決定應(yīng)使用哪個變壓器線軸。線軸的磁導(dǎo)率決定它能存儲多少電能，能輸出多少功率。一般來說，DC輸出電流乘以一個系數(shù)，就能得出電感（變壓器）的紋波電流。占空比和開關(guān)頻率可以用來計(jì)算TON時間，VIN、VPRI和紋波電流可以確定原邊電感。分配的系數(shù)不能太大或太小，較大的系數(shù)會導(dǎo)致高紋波電流。高紋波電流可能達(dá)到半H橋限流值的，這會損壞MOSFET。由于存在ESR和ESL，輸出電容將會承受大紋波電壓。與之相反，當(dāng)需要極小的紋波電流時，應(yīng)使用電感值很高的電感器（變壓器）。如果線圈匝數(shù)很多，則需要使用笨重的線軸。大電感會限制環(huán)路帶寬，降低動態(tài)響應(yīng)系數(shù)。
電能僅在TOFF時間內(nèi)傳輸至副邊線圈。匝數(shù)比可以通過公式1計(jì)算：
其中，VD表示副邊二極管正向偏置電壓。VPRI的最大占空比一般介于0.4至0.6之間。VPRI可以采用公式2計(jì)算：
其中，D為最大占空比，VIN_MIN為最小輸入電壓。使用公式2可計(jì)算出匝數(shù)比。在非隔離降壓轉(zhuǎn)換器中，電感兩側(cè)的紋波電流相同。利用公式3可輕松計(jì)算出所需的電感。
其中f為開關(guān)頻率，ΔI為紋波電流。如前所述，我們設(shè)定紋波電流= DC輸出電流 x 系數(shù)。
其中K為系數(shù)。但是，隔離式降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲兄挥凶儔浩?，沒有電感。如果其中的組件是變壓器而非電感時，該怎么辦？我們知道，電流比等于匝數(shù)比的倒數(shù)：
IPRITOFF是關(guān)斷期間副邊電流，它在關(guān)斷期間會激勵原邊產(chǎn)生電流。應(yīng)添加變壓器雙線圈電流，將其作為等效電感電流。
其中，ILeq表示等效電感電流。如果變壓器還有三個繞組，那么
是這樣嗎？我們來看看基于MAX17682得出的仿真結(jié)果。圖4顯示 MAX17682電路，采用EE-Sim? OASIS繪制，由SIMetrix/SIMPLIS提供。變壓器兩側(cè)裝有電流檢測探頭，分別為IPRI和ISEC1。
圖4. MAX17682典型電路，采用EE-Sim OASIS繪制，由SIMetrix/SIMPLIS供電。
圖5. MAX17682典型電路的仿真電流波形。
圖5顯示兩個探頭的瞬態(tài)仿真結(jié)果。這兩個電流波形是根據(jù)公式6得出并添加的。
添加的電流結(jié)果（紅色）為三角波，其表現(xiàn)就像是非隔離降壓轉(zhuǎn)換器中的電感。因此，可以使用以下公式輕松計(jì)算出變壓器的原邊ΔI：
通常，采用0.2倍DC輸出電流作為負(fù)載紋波電流。所以，K等于0.2 乘NSEC/NPRI。同時，原邊峰值電流應(yīng)低于開關(guān)限流值，其中IPK的計(jì)算公式如下：
變壓器的原邊電感可以使用以下公式計(jì)算得出：
根據(jù)匝數(shù)比、原邊電感、輸出功率、輸出電流和隔離電壓，可以決定應(yīng)使用哪個電感。
下面介紹如何更好地理解和使用MAX17682數(shù)據(jù)手冊中所示的公式（參見圖6）。
圖6. MAX17682數(shù)據(jù)手冊的屏幕截圖。
如前所述，可以將公式10改寫為公式11，以得出關(guān)斷期間的等效公式。
假設(shè)D為0.6，只有當(dāng)ΔI為0.4 A，多項(xiàng)式(1 – D)和ΔI才會抵消。公式 11和圖6所示的公式相同。數(shù)據(jù)手冊中的公式已選擇原邊紋波電流。如果指定D為0.6，那么原邊紋波電流為0.4 A。在數(shù)量上，TOFF占空比等于原邊紋波電流。
根據(jù)圖6所示的簡化公式，指定原邊紋波電流等于TOFF占空比時，可以更快完成設(shè)計(jì)。如果想更改原邊紋波電流或使用其他參數(shù)，可以按照本教程說明進(jìn)行操作。
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