【導(dǎo)讀】電源工程師想必都知道,磁復(fù)位電路在開關(guān)電源磁性元件中可以說是不可或缺的。一旦復(fù)位,輕則帶不起負載,重則就放鞭炮了。本文就分享變壓器復(fù)位的幾大方法,跟著小編一起來看看吧!
下面就是我們常見的單端正激電源功率變壓器的主繞組和它的復(fù)位電路:
圖1 單端正激電源功率變壓器的主繞組和它的復(fù)位電路
圖中T1A是主繞組,勵磁電流和功率傳遞電流都要流過它,因而繞組用的線也比較大;T1B是復(fù)位繞組,用于開關(guān)管關(guān)閉期間復(fù)位變壓器,由于各繞組間耦合不可能做得很好,變壓器還是有漏磁通存在,有必要在開關(guān)管上加上RCD吸收,防止過高的電壓損壞開關(guān)管。
在上面的單端正激電路中,為了能夠更好地實現(xiàn)磁復(fù)位,一般情況下要求T1A和T1B繞組匝數(shù)相等,耦合得比較好;在220V市電輸入的電路中,由于開關(guān)管的性價比問題,超過1000V的管子會很貴沒有競爭優(yōu)勢,還會要求占空比小于0.5,這種情況下理論上開關(guān)管兩端的電壓不超過2倍市電峰值電壓。
假設(shè)整流后E1電容兩端的電壓為VE1,開關(guān)管開通時間是Ton,關(guān)斷時間是Toff,關(guān)斷后主繞組上的復(fù)位電壓為Vor。按照復(fù)位要求,則有公式:
VE1*Ton=Vor*Toff
為了可靠復(fù)位,往往我們會要求Vor*Toff>VE1*Ton。
如圖所示的單端正激電路,開關(guān)管導(dǎo)通時,由于D2的堵塞作用T1B繞組中無電流通過,開關(guān)管關(guān)斷時,T1B繞組兩端極性改變,D2導(dǎo)通,變壓器勵磁電流向電容E1充電,變壓器反向磁化,完成磁復(fù)位過程。
理論上說這個電路的損耗也不大,但在實際測量中發(fā)現(xiàn)D2和它的吸收回路都很熱。而且磁復(fù)位這部分能量也是再次充入電源高壓電容E1中,并沒有作用于輸出負載上,做的是無用功。如此多周期反復(fù),損耗是在所難免,因為電容存在等效電阻,充電電流還會使電容E1溫度上升。
試想一下,如果勵磁電流能在復(fù)位過程中向輸出端釋放,我們做的電源是不是可以提升一點效率呢?答案是肯定的!
要想使變壓器復(fù)位,只要我們能保證Vor*Toff>VE1*Ton就可以了。我們可以參考反激電源的復(fù)位電壓VOR產(chǎn)生的方法,假如在變壓器的副邊增加一個繞組,這個繞組匝數(shù)對應(yīng)于原邊繞組匝數(shù)的比例原邊:副邊=N(以下稱匝比),當(dāng)“輸出電壓*匝比N耦合到原邊的電壓(反射電壓)”符合我們要求的復(fù)位電壓時,變壓器就能很好地復(fù)位。設(shè)輸出電壓為Vout,為了計算簡單先忽略二極管正向電壓降(實際應(yīng)用電壓低于20V就不能忽略,因為0.5-1V的管壓降占總輸出電壓的比例超過了5%),以上 Vor*Toff>VE1*Ton 公式可以改為:
Vout*N*Toff>VE1*Ton
只要滿足這個公式,變壓器就能復(fù)位。
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根據(jù)設(shè)想,我們可以用NCP1252A的IC設(shè)計一個電源,原理圖如下圖所示:
圖2 用NCP1252A的IC設(shè)計一個電源的原理圖
把變壓器部分的圖放大并標(biāo)注極性:
圖3 變壓器部分的圖放大并標(biāo)注極性
其中NP為原邊主繞組;NS1為副邊主輸出繞組;NS2為副邊嵌位繞組,也是副邊輔助輸出繞組;AUX為原邊輔助供電繞組,給IC供電用的。
一般PFC級輸出的電壓在380-400V之間,為了達到輸出保持時間的要求,我們可以設(shè)定PFC電壓掉到某一個給定的值時,IC工作于最大占空比。
NCP1252A這個設(shè)置可以由2腳的外圍元件(R5,R6,R7)設(shè)定,按圖上標(biāo)示的值,這個電壓點在290V附近,假設(shè)此時最大占空比為49%(因為IC限制占空比小于50%了)。
下面是變壓器設(shè)計過程:
設(shè)計輸出電壓為12V;
最大占空比 Dmax=0.49,對應(yīng)的輸入電壓為290V;
輸出功率200-250W,按經(jīng)驗選ER3542臥式磁芯及配套骨架,磁芯AE:107mm2,AL=2770;
開關(guān)頻率100Khz,MOS最大導(dǎo)通時間4.9uS,關(guān)閉時間5.1uS;
肖特基整流,整流管正向壓降VF選取0.65V;
磁芯穩(wěn)定工作時磁擺幅應(yīng)該保證磁芯不飽和,一般選取0.25T。
習(xí)慣于倒推方式設(shè)計變壓器,將輸出部分重新截圖如下,方便理解:
圖4 輸出部分截圖
[page] 步驟1:我們假設(shè)線路損耗是0.2V,則要求A到GND端的最小輸出電壓應(yīng)該是:
VA=(Vo+VF+0.2)/Dmax=(12+0.65+0.2)/0.49=26.22(V)
步驟2:計算出變壓器匝比
在最大占空比時的輸入電壓為290V,此時最小輸出電壓已經(jīng)由上式算出,所以匝比=電壓比
匝比N=290/26.22=11.06
供電帶穩(wěn)壓措施,電流也比較小,可以按每匝電壓多少V選取一個合適的值。
步驟3:按NP=Vinmin*Ton/(Bm*AE)計算出原邊匝數(shù),由磁芯AL值計算出原邊的電感量;
式中單位分別為:
NP:匝數(shù);
Vinmin:最低輸入電壓,單位伏特V;
Ton:MOS導(dǎo)通時間,單位微秒uS;
Bm:磁芯工作時磁擺幅,單位特斯拉T;
AE:磁芯有效截面積,單位平方毫米mm2;
得到NP=290*4.9/(0.25*107)=53.12
匝數(shù)取整數(shù),結(jié)果為53匝;
磁芯AL值上面已經(jīng)給出,值為2770,所以原邊電感量L=2770*53*53(nH),約等于7.78mH。
步驟四:由匝比N計算出副邊主繞組匝數(shù)NS1
NS1=NP/N=53/11.06=4.79
取整數(shù),結(jié)果為5匝;
由副邊匝數(shù)可以推出每匝伏數(shù)為26.22V/5匝=5.244V/匝,看了 IC規(guī)格書,我選擇供電在12V以上18V以下,供電繞組繞3匝就行。
步驟五:
由伏秒關(guān)系Vout*N*Toff>VE1*Ton可以計算出原邊匝數(shù)和復(fù)位繞組匝數(shù)的變比Nf;
實際上復(fù)位繞組兩端電壓要比輸出電壓高一個二極管壓降0.65V,將上面公式調(diào)整變換一下,得到
Nf>Vin*Ton/[(Vout+0.65)*Toff]>290*4.9/[(12+0.65)*5.1]>22.03
得到匝比,按匝比計算出復(fù)位繞組匝數(shù)
NS2=NP/Nf=53/22.03=2.4(匝)
因為要求匝比大于22.03,所以只能取整數(shù)為2匝。
變壓器線徑選擇:
設(shè)輸出是12V18A,變壓器轉(zhuǎn)換效率為0.95,其他條件按上面計算的結(jié)果,得出初級峰值電流約1.79A,有效值電流1.24A,線用6A/mm2選0.45線兩根;次級電流有效值約12.56A,用0.6的線9根并聯(lián);復(fù)位繞組0.6線3根并聯(lián)繞制。
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