提升反激變換器的方法

A. 反激變壓器一定要開間隙嘛我拆開了，怎麼沒有間隙呢

反激變壓器的本質是耦合電感，能量的存儲和釋放是交替進行的。而作為儲能的電感通常的做法都是要開氣隙的。反激變壓器也不例外。

開氣隙的作用有兩點：

一、控制電感量，適合的電感量才能滿足設計要求。

電感量太大能量充不進去。電感量太小則開關管電流應力增加。

二、降低磁通密度B。

假設電感量，電流和磁性材料都已經確定，增加氣隙可以降低電感的工作磁通密度防止飽和。

基本原理

當開關晶體管Tr ton時，變壓器初級Np有電流 Ip，並將能量儲存於其中(E = Lp*Ip^2 / 2)，由於Np與Ns極性相反,此時二極體D反向偏壓而截，無能量傳送到負載.當開關Tr off 時，由楞次定律：(e = -N△Φ/△T)可知，變壓器原邊繞組將產生一反向電勢，此時二極體D正向導通，負載有電流IL流通，反激式轉換器之穩態波形。

B. 開關電源（反激變換電路）調節輸出電壓

改變R4(R6)/R7的分壓比就可以改變電壓源TL431的穩壓值，改變了TL431的穩壓值也就改變了輸出電壓。
Udc是市電整流濾波後的直流，也可以是其他較高電壓源。

C. 為什麼反激電路一定要加氣隙

反激式開關電源的高頻變壓器在磁滯回線的第一象限，在開關管導通期間，變壓器初級線圈只儲存能量，而在截止期間才將初級線圈內儲存的能量傳遞到次級，因此它既是變壓器，也是儲能電感。在它的中心柱開一定的氣隙可降低剩餘磁場、提高磁芯的直流磁場強度，使它能承受較大的安匝數，防止磁芯飽和，並可通過調節氣隙來達到所需的電感量（AL-Value=L1/N1²)。

D. 何為朋友

摘要：依據一個單端反激電路的實例詳細介紹了高頻變壓器設計的一般方法和步驟，並討論變壓器的繞制工藝問題。

關鍵詞：反激電路；高頻變壓器；變壓器的繞制

Abstract：The method of design high frequency transformer in fly-back circuit in introced in detail, besides the Transformer winding process is discussed.

Keyword：fly-back circuit; high frequency transformer; Transformer winding

0 引言

單端反激變換器在小功率開關電源設計中應用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種，電流連續模式和電流斷續模式。前者適用於較小功率，副邊二極體沒有反向恢復的問題，但MOS管的峰值電流相對較大；後者MOS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極體的反向恢復問題，需要給二極體加吸收電路。這兩種工作模式可根據實際需求來選擇。

單端反激開關電源的變壓器實質上是一個耦合電感，它要承擔著儲能、變壓、傳遞能量等工作。研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積、提高電源輸出功率的關鍵因素。隨著應用技術領域的不斷擴展，開關電源的應用愈來愈廣泛，但製作開關電源的主要技術和耗費主要精力就是製作開關變壓器。

本文將以單端反激電路為例，詳細介紹高頻變壓器設計的一般方法和步驟。

1 單端反激電路的工作原理

圖1 單端反激電路工作原理圖

當加到原邊住功率開關管Q的激勵脈沖為高電平使Q導通時，直流輸入電壓Vin加在原邊繞組Np兩端，此時因副邊繞組相位是上負下正，使整流管D1反向偏置截止；當驅動脈沖為低電平使Q截止時，原邊繞組Np兩端電壓極性反向，使副邊繞組相位變為上正下負，則整流管被正向偏置而導通，此後儲存在變壓器中的磁能向負載傳遞釋放。因單端反激式變換器只是在原邊開關管導通期間儲存能量，當它截止時才向負載釋放能量，故高頻變壓器在開關工作過程中，既起到變壓隔離作用，又是電感儲能元件。因此又稱單端反激式變換器是一種「電感儲能式變換器」。

在反激變換器中，一般有兩種工作方式

（1）完全能量轉換（電感電流不連續方式）：在儲能周期（ton）中，變壓器中儲存的所有能量在反激周期(t0ff)中都轉移到輸出端。

（2）不完全能量轉換（電感電流連續方式）：儲存在變壓器中的一部分能量在t0ff末保留到下一個ton的開始。

這兩種工作方式的小信號傳遞函數是極不相同的，動態分析時要做不同的處理。實際上，當變換器輸入電壓在一個較大范圍內發生變化，或和負載電流在較大范圍內變化時，必然跨越著兩種工作方式，因此反激變換器常要求能在完全和不完全能量轉換方式下都能穩定工作。

設計一單端反激電路高頻變壓器，其主要參數如下：

原邊繞組電壓幅值 Ui=176~264Vac , 47-63Hz

次級輸出電壓 Uo=12V

開關頻率 f=70kHz

額定輸出電流 Io=2A

變壓器效率 η=0.78

2 初選磁芯型號

適用於高頻的磁芯材料有鐵氧體磁芯，鐵粉磁芯以及非晶合金。設計時，要查找三類磁芯的基本特性以選擇合適的磁芯材料，在一般情況下都可選用鐵氧體材料滿足設計要求。然後再根據廠家提供的磁芯材料手冊（一般可在磁芯廠家網站獲得）選取具體的磁芯材料編號並獲得其具體特性參數。

磁芯規格的選取通常可先估算變壓器的效率，然後由輸出功率和估算效率計算出變壓器的輸入功率，再根據廠家給出的磁芯規格和傳送功率的關系數據來選擇。初選一磁芯型號代入以後的步驟進行計算。

根據設計要求，查找磁芯手冊，選取EI28鐵氧體磁芯，其交變工作磁密ΔBac為0.2T，磁芯有效面積Ae為84.41mm2。

3 繞組匝數的計算

原邊繞組開關晶體管Q的最大導通時間對應在最低輸入電壓和最大負載時發生。在這個例子中，假設D=ton/Ts=0.45，工作頻率70kHz。

Ts=1/fs=106/(70×103)=14

ton=D×Ts=0.45×14=6.30μs

設當變換器在最低線路輸入電壓時發生滿載工作，計算它的輸入端的直流電壓Vin。對於單相交流整流用電容濾波，直流電壓不會超過交流輸入電壓有效值的1.4倍，也不小於1.2倍。它與電源線路中的電源阻抗，整流器電壓降，儲能電容的等效阻抗，以及負載大小均有關，在此取1.3。設交流電壓220V下限為176V。

Vin=176×1.3=228.8V

因為作用電壓是一個方波，一個導通期間的伏秒值與原邊匝數關系為

NP= Vin×ton/(ΔBac×Ae)

式中 NP----原邊匝數

Vin----原邊所加直流電壓(V)

ton----導通時間(μs)

ΔBac----交變工作磁密(mT)

Ae----磁芯有效面積（mm2）

NP= 228.8×6.30/(0.2×84.41)=86匝

以輸出電壓12V為例進行計算，設整流二極體壓降0.6V，繞組壓降0.6V，則副邊繞組電壓值為12+0.6+0.6=13.2V。

原邊繞組每匝伏數= Vin/ NP=228.8/86=2.66V/匝

副邊繞組匝數NS=13.2/2.66=4.96匝

由於副邊低壓大電流，應避免使用半匝線圈（除非特殊技術上需要），考慮到磁芯磁路可能產生飽和時，使變壓器調節性能變差，因此取4.96的整數值5匝。

因副邊取整數5匝，反激電壓小於正向電壓，新的每匝的反激電壓是13.2/5=2.64V/匝。占空比必須以同樣的比率變化來維持伏?秒相等。

ton= Ts×2.64/（2.64+2.66）=14×2.64/5.3=6.97μs

4 確定磁芯氣隙的大小

上面已經分析過，帶氣隙的磁芯在一個更大的磁場強度H值下才會產生磁飽和，因此磁芯可經受一個更大的直流成分。另外，當H=0時，Br更小，磁芯的磁感應強度B有一個更大的可用工作范圍ΔB。最後，有氣隙時，導磁能力降低，導致每匝的電感量減小，繞組總電感值減小，但氣隙的存在減少磁芯里直流成分所產生的磁通。

（a）完全能量傳遞方式 （b）不完全能量傳遞方式 （c）不完全能量傳遞方式

（原邊電感較大） （原邊電感大小適中）

圖2 在反激變壓器中原邊電流的波形（三種情況下Iave均相同）

實際設計工作是通過氣隙大小調整來選定能量的傳遞方式。圖2示出三種可能的方式。（a）是完全能量傳遞方式。這種方式傳遞同樣的能量，峰值電流是很高的。工作中開關晶體管、輸出二極體和電容器產生最大的損耗，且在變壓器自身產生最大的銅耗（I2R）；（b）表示不完全能量傳遞方式。此時，具有一個低電流斜率，這是電感較大的緣故。盡管這種工作方式損耗最小，但這大的磁化直流成分和高的磁滯將使大多數鐵磁物質產生飽和。（c）表示一個較好的折衷方法，它的峰值電流大小適中，峰值與直流有效值的比也比較適中。當經調整氣隙，使在合適的氣隙大小下，就能得到這一傳遞方式。工作中雜訊較小，效率也合理。

使用圖2原邊電感量可通過電流波形圖的斜率Δi/Δt按下式求出

LP=VinΔt/Δi

在圖（c）中，設取IP2=3 IP1，則tOn=t2-t1時間內電流平均值Iave

Iave= IP2 -IP1=3 IP1- IP1 = 2IP1

在周期內TS的平均輸入電流IS

Iin=P/Vin=30.77/228.8=0.13A

相應的值為

Iave= IinTS/tOn=0.13×14/6.97=0.26A

IP1=Iave/2=0.13A

IP2=3 IP1=0.39A

在tOn期間電流變化量Δi= IP2 -IP1=0.39-0.13=0.26A帶入LP=VinΔt/Δi式中求出原邊電感LP

LP= VinΔt/Δi=228.8×6.97/0.26=6.13mH

一旦已知原邊電感Lp和匝數Np，求出電感系數AL

AL=Lp/N2p=0.00613/862=829nH/匝2

用下式計算氣隙

lg=μ0×N2p×Ae/ Lp

式中lg ------氣隙長度（mm）

μ0------4π×10-7

Np ------原邊匝數

Lp ------原邊電感（mH）

Ae ------磁芯面積（mm2）

lg =4π×10-7×862×84.41/6.13=0.13mm

5 變壓器的繞制工藝問題

變壓器繞制的基本要求是耦合緊密，以減小漏感。設計時應採用「初包次」的繞法。示意圖如下：

初級-------內層

次級繞組

初級--------外層

輔助繞組

圖3

在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣選用抗電強度高、介質損耗低的復合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強度和抗電暈能力。變壓器絕緣則採用整體灌注的方法來保證變壓器的絕緣使用要求。

6 結語

本文詳細闡述了單端反激變換器中變壓器的設計方法，並結合具體設計任務，設計出一個用於176Vac～264Vac輸入，12V2A輸出的高頻開關電源變壓器。設計出的變壓器在實際電路中表現出良好的電氣特性。

參考文獻

[1]張占松，蔡宣三。開關電源的原理與設計（修訂版）。電子工業出版社，2004。

[2]劉勝利。現代高頻開關電源實用技術。電子工業出版社，2001。

E. 開關電源供電方式中的電壓變壓原理

1.直流變換器式開關穩壓電源
直流變換器式開關穩壓電源主要包括直流變換器和穩壓電路兩個部分，該穩壓電源的核心是直流變換器。直流變換器是將一種直流電壓轉換為另一種直流電壓的變換設備，它是開關電源的一個重要類別。進行直流變換通常可分為幾步：逆變器——將直流電壓轉換為較高頻率的交流電壓；高頻變壓器——將高頻交流電壓轉換為所需的交流電壓，並且實現不安全的市電與安全的輸出電源有效隔離；整流器——將高頻交流電壓轉換為直流電壓。下面介紹2種基本的變換電路，這2種功率變換器可以工作在他激狀態作功率方波放大器，也可以工作在自激狀態作方波振盪器，產生的方波經變壓器次級側整流，將方波變換為所需的直流，它的基本電路是由一個晶體管組成的單端電路。
晶體管直流電壓變換器的基本工作原理，是利用晶體管作為高頻開關控制直流電源的通斷，經過變壓器輸出，把直流變成交流。如果所需的輸出是直流電壓，那麼，把變壓器輸出的交流電壓再經過整流，就可以得到所需的直流輸出電壓。在負載對直流電源精度要求不高、且負載變化不大的場合，直流變換器的輸出可以直接向負載供電，而不必再另加穩壓電路。反之，當負載對直流電源供電要求較高時，通常則需要在電路中加上穩壓控制電路，一般是加上前面所介紹的取樣電路、基準電源、差分放大器以及脈沖占空比可調的控制電路，即可構成開關穩壓器。由於電路中引入了高頻變壓器的隔離，可以實現輸入電壓和輸出電壓之間的直流隔離，即安全工作點與非安全工作點之間的電氣絕緣。
單端晶體管直流變換器具有線路簡單的特點，它只用一隻晶體管、一個變壓器以及電容、二極體構成。功率可以做到150W～250W。根據變壓器次級側整流二極體的接法不同，單端變換器可分為反激式和正激式兩種。反激式和正激式變換器兩者的差別只是整流二極體的接法不同，但其工作原理差別很大。
2. 單端反激式變換器
在單端反激式變換器中，整流二極體的接法使得開關晶體管導通時，二極體截止，這時電源輸入的能量以磁能的形式儲存於變壓器中；在晶體管截止期間，二極體導通，變壓器中儲存的能量傳輸給負載，因此，單端反激式變換器也稱為電感儲能式變換器。不過這里用變壓器，而不是單個電感。單端反激式變換器電路如圖2所示。
當開關晶體管V的基極被輸入脈沖驅動而導通時，輸入電壓Ui便加到變壓器T的初級繞組N1上，由於變壓器T對應端的極性，次級繞組N2的極性為下正上負，二極體D截止, 次級繞組N2中沒有電流流過。當V截止時， N2繞組的電壓極性為下負上正，二極體D導通，此時V導通期間儲存在變壓器中的能量便通過二極體D向負載釋放。在工作過程中變壓器一方面起了電感儲能電感的作用，另一方面也起了變壓器的作用。由上分析可知，單端反激式變換器與前面介紹的並聯開關穩壓器的工作原理相似，因此輸出電壓為
Uo ＝ Ui
設占空比δ＝ ton／T，可以得到Uo ＝ Ui

+U i D L
• +
n1
V n2 C Uo
•


圖2-2 單端反激式變換器電路
3.單端正激式變換器
在單端正激式變換器中，整流二極體的接法是在開關晶體管導通時，經過變壓器耦合，能量通過導通的二極體傳輸給負載，而在晶體管截止期間，二極體也截止。
圖2-3是帶有回授繞組N3和箝位二極體D3的單端正激式變換器。單端正激式變換器是從串聯開關變換器演變得到的，其導電過程與反激式變換器正好相反，卻與串聯開關變換器完全相同，不同之處這里增加了一個變壓器。在V 導通時，由變壓器T的對應端和二極體D1的接法決定了此期間D1導通，輸入電壓經變壓器耦合向負載傳輸能量，此時濾波電感L儲能；V截止期間，電感L中產生的感應電動勢使續流二極體D2導通，電感L中儲存的能量通過續流二極體D2向負載釋放，因此單端正激式變換器輸出電壓為
Uo ＝ Ui ＝ δUi
+ U i D1 L
n1 + Uo
• •
D3 n3 n2 D2
•

V

圖2-3 帶有回授繞組和箝位二極體的單端正激式變換器
即輸出電壓僅決定於電源電壓、變壓器的匝數比和占空比，而與負載電阻無關。
此外，由於變壓器線圈存在電感，當V導通時，電感中也儲存能量；當V截止時，次級側二極體D1截止，儲存於變壓器中的磁場能量必須通過一定的途徑釋放出來，否則將在線圈的兩端產生過電壓。比較常見的方法就是如圖2－9所示的加設回授繞組N3和箝位二極體D3，通常取N3＝N1，這樣當繞組N1上的感應電壓超過電源電壓時，二極體D3導通，將磁能送回電源中。這就將繞組N1上的反峰電壓限制在電源電壓上，因此V的集－射間的電壓被限制在兩倍電源電壓上。
釋放變壓器電感中儲能（又稱祛磁）的方法還可以有很多，如在初級繞組N1兩端並聯電阻，或者並聯電容和電阻串聯網路等以吸收反峰電壓所產生的能量。
單端正激式變換器同單端反激式變換器一樣，變壓器中磁通只工作在B－H曲線的一側，因此也必須遵循磁通復位的原則，磁芯常用EE、EI、EC等型號的鐵氧體材料，磁芯要有一定尺寸的空氣隙，以免磁芯飽和。

F. 反激電源問題

我們在設計反激變換器時通常更關注輸入電壓最低時的狀態。
因為那時輸入電流最大，占空比最大，變換器的發熱通常也最大。
而輸入電壓在最高時往往會被設計者忽略。
此時功率管的電壓應力達到最大，占空比最小，電流斜率最大，同樣使產品面臨危險。
反激變換器在連續電流模式，占空比的計算公式為：D=VOR/((VIN-VDS)+VOR)
VOR為反射電壓（假設為100V），VIN為輸入直流電壓。VDS為開關管壓降（假設為5V）。
注意計算最大占空比時VIN要按輸入脈動直流的波谷電壓計算，假設85VAC時對應VIN為60VDC。
而計算最小占空比時VIN要按輸入脈動直流的波峰電壓計算，假設265VAC時對應VIN為375VDC。
我們帶入公式就可得到最大占空比約65%，而最小占空比約為21%。
上述計算是按連續電流模式計算的。
如果是電流非連續模式，要考慮電流紋波系數K大於1，占空比比連續模式的還要小一些。
再說說85VAC和265VAC是怎麼來的。中國大路地區供電系統的相電壓為220VAC。
按+20%的波動考慮，就是220*1.2=264VAC，取個整也就是265VAC了。
同理，日本等地的供電是110VAC，按-20%波動考慮，110*0.8=88VAC，取整就是85VAC了。
輸入范圍還可以更寬，但要犧牲很多性能，同時元器件也會難於采購並且成本陡升。

G. 反激變換器的MOS溫升太高要加大占空比嗎

如顆是低壓輸入時MOS溫升高,可適當增加占空比,降低初級峰值電流!

H. 反激式開關電源 怎麼加大帶負載能力 匝數比可以調整

反激式開關電源：初級調到112T,次級38T,輔助23T，把磁芯調到初級電感量等於1.8mH。
反激式(Flyback)變壓器，或稱轉換器、變換器。因其輸出端在原邊繞組斷開電源時獲得能量故而得名。

基本原理
當開關晶體管Tr ton時,變壓器初級Np有電流 Ip,並將能量儲存於其中(E = LpIp / 2).由於Np與Ns極性相反,此時二極體D反向偏壓而截止,無能量傳送到負載.當開關Tr off 時,由楞次定律: (e = -N△Φ/△T)可知,變壓器原邊繞組將產生一反向電勢,此時二極體D正向導通,負載有電流IL流通.反激式轉換器之穩態波形
導通時間 ton的大小將決定Ip、Vce的幅值:
Vce max = VIN / 1-Dmax
VIN: 輸入直流電壓 ; Dmax : 最大工作周期
Dmax = ton / T
由此可知,想要得到低的集電極電壓,必須保持低的Dmax,也就是Dmax<0.5,在實際應用中通常取Dmax = 0.4,以限制Vcemax ≦ 2.2VIN.
開關管Tr on時的集電極工作電流Ie,也就是原邊峰值電流Ip為: Ic = Ip = IL / n. 因IL = Io,故當Io一定時,匝比 n的大小即決定了Ic的大小,上式是按功率守恆原則,原副邊安匝數 相等 NpIp = NsIs而導出. Ip亦可用下列方法表示:
Ic = Ip = 2Po / (η*VIN*Dmax)η: 轉換器的效率
公式導出如下:
輸出功率 : Po = LIp2η / 2T
輸入電壓 : VIN = Ldi / dt設 di = Ip,且 1 / dt = f / Dmax,則:
VIN = LIpf / Dmax 或 Lp = VIN*Dmax / Ipf
則Po又可表示為 :
Po = ηVINf DmaxIp2 / 2f Ip = 1/2ηVINDmaxIp
∴Ip = 2Po / ηVINDmax
上列公式中 :
VIN : 最小直流輸入電壓 (V)
Dmax : 最大導通占空比
Lp : 變壓器初級電感 (mH)
Ip : 變壓器原邊峰值電流 (A)
f : 轉換頻率 (KHZ)