工程師技術講解：基于回轉變壓器的功能和應用設計

低成本、設計簡單且效率高的回轉變壓器已成為100W至150W電源設計的常用解決方案。與采用相似拓撲的電路相比，回轉變壓器的其它優(yōu)點包括主副分離，以及能夠提供多路輸出和選擇正負電壓電路作為輸出。

本文討論了回轉變壓器中所用的回轉或側邊阻塞型變壓器的參數(shù)。后一種變壓器已應用多年，其拓撲在變壓器分離的整流器家族中具有獨特性。

回轉變壓器功能

當開關打開時，能量儲存在主電路中(磁芯材料內)。如圖1所示，變壓器和二極管上極點的排列使開關打開時沒有能量傳輸給負荷電路。當關閉開關時，變壓器線圈的極性由于采用扁平磁場而被保留，輸出整流器導線和磁芯材料儲存的能量被傳輸給負荷電路。此活動將持續(xù)進行，直到磁芯中的能量耗盡，或者電源開關再次打開。

回轉穩(wěn)壓器可以運行在間斷或連續(xù)模式下。在間斷模式下(見圖2)，當FET打開/關閉時，磁芯內存儲的能量在回轉過程中完全從磁芯中清空。在連續(xù)模式下(見圖3)，磁芯清空回轉能量之前打開FET。典型的回轉穩(wěn)壓器可根據(jù)負荷和輸入電壓情況運行于這兩種模式下。

設計人員應考慮低電壓時的最大負荷，包括回轉穩(wěn)壓器運行范圍內的所有狀況，因為它在循環(huán)期間將簡單地關閉(簡單模式)，并等待負荷需求滿足電源傳輸能力。這是回轉變壓器的一個動態(tài)特征，用于對大范圍的輸入電壓和負荷進行調整。

回轉穩(wěn)壓器的設計參數(shù)

下列等式通常用于限定回轉穩(wěn)壓器的參數(shù)。產(chǎn)品遵循以下典型的設計實例。

假設V=Ldi/dt，且Vin，min=(LpIppf)/(δmax)，其中：Vin=輸入電壓，單位：V;Lp=初級線圈電感，單位：mH;Ipp=峰值電流，單位：A;δmax=最大工作循環(huán)，單位：us;f=運行交換頻率，單位：Khz;間斷模式功率輸出=0.5*Lp*I2pp*f;Ipp=(2Pout)/(Vin，min*δmax)

在上述回轉穩(wěn)壓器中，PWM負責完成調節(jié)。如果穩(wěn)壓器Vin，min與Vin，max不同，則：δmin=(δmax)/((1-δmax)C+δmax)其中C=Vin，max/Vin，min由于Ipp已知，所以：Lp=(Vin，min*δmax)/(Ipp*f)，盡管設計人員可依賴磁芯選擇的經(jīng)驗，但這僅是一個近似值。建議采用以下公式獲得更接近的估計結果。

A c *A e =(((6.33*4)*Lp*Ipp*D2)*108)/Bmax其中：Ac=繞線區(qū)域，單位：cm2;Ae =磁芯有效區(qū)域，單位：cm2;Bmax=Bsat/2，單位：Gauss。請向磁芯制造商了解材料和損耗以及頻率。D=線路的直徑，單位是英寸。

回轉變壓器的氣隙必須計算，因為它運行于單端，并且僅使用助焊劑容量的一半。這可能會導致磁芯達到飽和狀態(tài)。

Gap(cm)=lg =((0.4*π*Lp*I2pp)*10^8)/(Ae*B2max)確定氣隙長度后，可以得到主副旋轉數(shù)。Npri=(Bmax*lg)/(0.4*π*Ipp)；Nsec=(Np(Vp+Vd)(1-δmax))/(Vin，min*δmax)。

下例表示間斷模式下的回轉穩(wěn)壓器設計。現(xiàn)代的設計采用PFC(功率因數(shù)校正)概念，在校正后立即定位。升壓拓撲通常用于其動態(tài)特征和大范圍的輸入電壓。本例中沒有提到PFC。

設計參數(shù)

Vinput=85至132Vac;Voutput=5Vd*10A=50W;頻率=100kHz;假設δmax=0.45。

1、計算峰值Ipp

由于Vin，min=85Vac，則Vin，min=85*1.4-20V。因為波紋和二極降壓管為大約100Vdc，所以：Ipp=2Pout/(Vinmin*δmax)=100/(100*0.45)=2.22A

2、計算δmin

Vin，max=132Vac*1.4=185Vdc，指定10%的余量，則Vin，max=203Vdc，此處取200Vdc。對Vin，min指定10%的余量，則Vin，min=90Vdc。

從上可得出輸入電壓比率C=200/90=2.22，因此δmin=0.45/((1-0.45)*2.22+0.45)=0.27。從這些結果可以得出，穩(wěn)壓器在Vin范圍為200Vdc到90Vdc時，運行的負荷比是0.27至0.45。

3、計算初級線圈電感

Lp=90*0.45/(2.22*100Khz)=0.18mH

4、選擇磁芯

在本例中，我們選擇電流密度為大約300c.m/A。由于Ipp=2.22A，總c.m為300*2.22=666c.m。從線路圖中，22A WG的直徑為.028英寸。我們選擇Magnetics公司材料類型“P”，并且從目錄中選擇Bmax=500Gauss。結果得出大約100mW/cm3。

因此，AcAe=(6.33*4)*(.00018)*2.22*(.028) 2*(10^8)/(500)=1.59 cm^4，AcAe=1.60cm^4。