反激电源变压器设计篇之详细设计步骤

在上一篇文章中我们讲述了反激电源变压器设计的理论基础，本文将详细讲述反激电源变压器在固定频率下连续电流模式的设计过程，这是一个反复迭代至最终满意的过程。变压器设计过程中，我们主要考察其磁芯是否饱和，磁芯损耗是否可以接受，绕线电流是否符合要求等等。

1. 确定MOSFET的漏源极电压Vds

首先确认开关管MOSFET的漏源极电压Vds，有些小功率的电源芯片可能已经将MOSFET集成在内部，一般而言600V左右的MOSFET是最常见的，价格也适中。国产的昂宝或者芯朋微等电源厂商现在也有能做到高达800V的芯片，可根据实际情况确定。本文以600V为例进行设计说明。

2. 确定变压器匝数比

我们知道反激电源在开关管断开时会产生很大的电压尖峰，如图1所示，这是因为变压器存在漏感。因此，在实际的电路设计中都会使用RCD钳位电路，示意如图2所示，Llk表示变压器的漏感。

图1

图2

考虑到器件的降额，Vds电压可以选取80%~90%，尖峰电压我们可以根据经验大概设定在50~80V之间，然后结合最大输入电压，带入上式即可得到变压器的匝数比。

3. 确定占空比

反激电源是从升降压拓扑演变而来，最低输入电压是电源工作的最恶劣工况。

根据变压器初级侧电感的伏秒平衡原则，可得下式，

这是效率为100%时的理论占空比，我们可以进一步计算得到相对更加精确的占空比。

由于我们知道电源的输出功率Po和输出电压Vo，因此，可以得到输出的负载电流Io，

4. 确定电流波形
在设计时，我们可以设定连续电流模式的电流纹波率r为0.5，作为迭代的初始条件。因此，可得初级侧电流纹波，

然后，初级侧电流乘以匝数比，就能得到次级侧的电流值。

5. 确定原边侧电感值

6. 确定磁芯

磁芯很多时候都是根据经验来进行选择，网络或者相关书籍也有一些评估公式可供参考，

根据上式得到初步的磁芯体积后，就可以根据磁芯规格参数表来初步选择磁芯了。

磁芯体积为等效磁芯横截面积乘以磁路有效长度，

7. 确定绕组匝数

根据选择的磁芯材料确定最大磁通密度，以常用的PC40来说，我们一般设置最大不超过0.3T，计算得到初级匝数，然后除以匝数比就得到了次级匝数。

8. 确定气隙

由于匝数和电感值均为已知，因此可以计算出AL值，继而计算出气隙长度lg。
至此，第一轮的计算结果已经全部得出，但是这并不意味着设计工作已经结束，前面我们说过变压器的设计是一个反复迭代的过程，根据上述这些计算结果，接下来我们需要验证电流密度是否过大，变压器绕线的线径该如何选择，磁芯损耗是否过大，然后反过来更改电感值进行迭代直至最终所有参数满足设计要求。

9. 趋肤效应

在确定绕组线径的过程中，我们需要考虑高频下的趋肤效应，先计算出趋肤深度为多少，

我们应该控制导线线径小于2倍的趋肤深度。
注意，在求线径的时候应该使用电流的有效值进行计算。

10. 磁芯损耗

在得到各个输入电压下对应的电流波形后，我们可以计算出各输入电压工况下对应的磁通密度，然后得到磁通摆幅差值，再结合开关频率，查找对应磁芯材料的规格书可得到单位体积的磁芯损耗，再乘以磁芯体积进一步得到总的磁芯损耗，从而可以确认磁芯损耗是否过大。
上述的所有计算都是假定变压器工作在连续电流模式下的，但是当负载电流变小时，变压器是可能进入断续电流模式的。在此情况下，有些参数值的计算公式就会有所不同，需要相应地进行更改。
根据上文可知，连续模式下的电流是梯形波，断续模式下的电流是三角波，因此我们可以根据这点来进行判断当前的工作模式，在梯形波时，电流斜坡中心值大于电流纹波值的一半，即，以此作为判断变压器工作模式的条件。
因此，最好的方法是将这些计算公式使用excel表格来实现，同时加入判断变压器进入断续模式的条件，自动切换对应的公式进行计算，迭代也方便，如下图3所示是本人自行编制使用的表格，整体格式虽不是很整齐美观，但使用起来很方便，省去手动计算的麻烦。当然现在很多电源厂商都有成熟的自动化工具，例如TI的WEBENCH，但是个人感觉还是需要自己了解背后的原理，会自己手动计算，再使用自动化计算工具才算真正掌握。

图3

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