【導(dǎo)讀】反激式變換器會用到較多的電感元器件，因此在討論設(shè)計之前先簡單地介紹一下磁性元器件的基本知識，接著將討論離線式反激變換器的電路元件參數(shù)選取和變壓器設(shè)計，由于內(nèi)容較多，變壓器的設(shè)計下期將為大家詳細講解。
在學習了前兩章作者獨創(chuàng)的反激式開關(guān)電源設(shè)計方法及參數(shù)計算以后，不知道對大家有沒有幫助呢？下面我們就繼續(xù)跟著作者學習吧！
4.磁芯電感器的基本知識
反激式變換器會用到較多的電感元器件，因此在討論設(shè)計之前我們簡單地介紹一下磁性元器件的基本知識。選擇電感器時，我們經(jīng)常提到電感的飽和電流，首先我們看一下什么是電感飽和電流。
圖十：環(huán)形線圈示意圖
如圖十所示的環(huán)形線圈，假設(shè)線圈匝數(shù)為N匝，流入電流I，那么根據(jù)安培環(huán)路定律，以圖中r為半徑對磁場強度進行積分可得：
不難看出，磁場強度正比于電感電流，反比于磁路長度。又因為磁場強度與磁感應(yīng)強度B(也可以叫做磁通密度)存在如下關(guān)系：
往期回顧：
大牛獨創(chuàng)：反激式開關(guān)電源設(shè)計方法及參數(shù)計算
http://www.tzzsdz.com/power-art/80021928
大牛獨創(chuàng)（二）：反激式開關(guān)電源設(shè)計方法及參數(shù)計算
http://www.tzzsdz.com/power-art/80021936
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其中μ0和μr分別為空氣磁導(dǎo)率和介質(zhì)磁導(dǎo)率。所以當電流增大時，電感內(nèi)部的磁場強度增大，如果想對磁導(dǎo)率保持不變的話，磁感應(yīng)強度也會隨之增大。對于開關(guān)電源中的電感器件，一般都是帶有磁芯材料的，對于一般的磁芯材料，對磁感應(yīng)強度(磁通密度)的大小有一定的限制，當材料中的磁感應(yīng)強度隨磁場強度增大到一定值后，磁感應(yīng)強度不再隨磁場強度增加而增加，可以看做相對磁導(dǎo)率μr不為常量，我們把此時的情況叫做磁芯飽和。
為了防止磁芯進入飽和，我們必須將磁芯中才磁感應(yīng)強度限定在一定的范圍內(nèi)，另外，考慮到磁芯的損耗也與磁感應(yīng)強度的大小成正相關(guān)關(guān)系，所以又進一步減小了磁感應(yīng)強度的選取范圍。對于通常的鐵氧體磁芯，我們一般選擇工作的磁感應(yīng)強度為1600G(即0.16T)。
根據(jù)磁通量、磁鏈的定義以及相關(guān)關(guān)系，我們有如下公式：
其中φ表示截面積為A的磁芯中的磁通量，ψ表示磁鏈，N表示線圈匝數(shù)。從上面的關(guān)系式可以得出：
不難看出，當要求的電感量一定時，減小磁芯中磁感應(yīng)強度的方法有兩種：增加線圈匝數(shù)或增大磁芯截面積(即選用更大尺寸的磁芯)。在實際的工程應(yīng)用中，增加線圈的匝數(shù)一方面可能導(dǎo)致磁芯無法容納所有繞組，另一方面會導(dǎo)致電感的內(nèi)阻增加，線圈損耗增加，從而不得不增加線徑，使得磁芯容納繞組更加困難。所以在選擇磁芯時，需要同時考慮磁芯截面積Ae和磁芯的窗口面積Aw。常見的經(jīng)驗公式中，一般選取Ae和Aw的乘積Ap作為選擇磁芯的標準。
5.離線式反激式變換器的系統(tǒng)設(shè)計
本節(jié)將討論離線式反激變換器的電路元件參數(shù)選取和變壓器設(shè)計，重點介紹變壓器的設(shè)計。
5.1保險絲和負溫度系數(shù)熱敏電阻
反激式變換器的輸入端通常串聯(lián)保險絲盒一個標稱阻值幾歐到幾十歐的負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，保險絲的作用顯而易見，在電路出現(xiàn)短路或者過流時，為整個電路提供最后一道保護屏障。負溫度系數(shù)熱敏電阻則在電路啟動時起到了減小浪涌電流的作用。當輸入端接通電源時，對于沒有PFC功能的電路，輸入濾波大電容將造成輸入端出現(xiàn)大的浪涌電流，接入NTC后，由于啟動瞬間NTC溫度較低，阻值較大，有效抑制了浪涌電流。隨著電源的工作，NTC流過電流發(fā)熱，阻值減小，NTC造成的線電壓損耗也隨之降低。
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由于保險絲和熱敏電阻都屬于阻性元件所以選取時根據(jù)有效值電流計算。例如圖七所示的電路中，輸出5V/2A，預(yù)估效率75%，我們首先計算出電源輸入端的最大有效值電流：
那么，我們選擇保險絲的時候，要求額定電流大于這個值，考慮到浪涌電流對保險絲壽命的影響，我們通常選擇額定電流比這個值大數(shù)倍的保險絲。另外需要注意的是保險絲的額定電壓，如果選擇的保險絲額定電壓低于電源最高輸入電壓，可能造成保險絲的兩極之間出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。例如圖六中選擇了1A/250V的保險絲。
對于熱敏電阻，我們首先需要了解穩(wěn)定情況下的阻值，然后根據(jù)阻值和最大有效值電流得出電阻上的功耗，最后選取額定功率大于計算值的電阻。對于小功率的開關(guān)電源，通常省去了熱敏電阻。
5.2共模電感和安規(guī)X電容的選取
共模電感和安規(guī)X電容一起組成了共模濾波器。在開關(guān)電源中，這兩者的參數(shù)相對變化較小。對于共模濾波器電感，電感量在幾mH到幾十mH，一般情況下，功率越大時，共模電感的電感量越小。安規(guī)X電容恰恰相反，功率越大時，該電容的容量通常越大。安規(guī)Y電容的容量一般在100nF到幾百nF。
共模電感和安規(guī)X電容的具體參數(shù)很難通過公式計算，通常應(yīng)用中，依據(jù)經(jīng)驗值大概確定電感量和電容量的大小，然后在測試者對參數(shù)調(diào)整。共模電感選取的另一個要點是保證輸入電流不會導(dǎo)致磁芯的飽和。對于成品化的共模電感，可以提供輸入功率等參數(shù)進行選購。
5.3輸入整流二極管的選擇
市電輸入一般為50Hz或60Hz的工頻信號，輸入整流二極管一般為高壓PiN二極管，因此二極管的功耗主要是導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通損耗等于二極管的正向壓降與正向平均電流的乘積，對于交流正弦輸入和全橋整流的應(yīng)用，平均二極管電流等于有效值電流乘以正弦因子，計算公式如下：
所以理論上計算得到所需的二極管最大整流電流只需大于75mA。但是考慮到額定電流更大的二極管發(fā)熱更低，并且在大的輸入濾波電容作用下，流過整流二極管的電流波形為尖脈沖，為了增加二極管的壽命和可靠性，通常選擇額定電流遠大于計算所得到的最大平均電流。整流二極管的另一個重要參數(shù)是最大反向工作電壓，橋式整流中，二極管承受的最大反向電壓即市電輸入最高電壓。在實際應(yīng)用中，為了安全起見，一般選擇最大方向工作電壓為市電最高輸入電壓2倍的二極管。圖七所示的電路中選取了1A/600V的整流橋。
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5.4輸入濾波電容的選取
輸入濾波電容使整流后的半正弦信號變?yōu)橄鄬ζ教沟闹绷麟姡娙萘康拇笮Q定了直流的平坦度。假設(shè)充放電階段電容上的電壓都是線性變化的，我們可以得到圖九所示的波形。一個周期內(nèi)，在AB段，市電通過整流二極管向電容充電，電容上的電壓上升，在BC段，電容向后級負載放電，電容上的電壓下降。電容上的電壓周期性地波動，周期為工頻周期的一半。
圖九：電容上的直流電壓波形
輸入濾波電容上的電壓即變換器的輸入電壓，為了較為準確地得到變換器輸入直流電壓的范圍，我們需要計算電容上電壓的波動值。我們假設(shè)一個周期內(nèi)電容的充電時間為Tch，并且規(guī)定充電時間占周期時長的百分比Dch，根據(jù)經(jīng)驗，Dch一般取0.2到0.3，我們得到如下的計算過程：
其中，I表示電容后接負載的平均電流，在電容上電壓波動不大的情況下，我們通過下式估算：
其中Pin為反激變換器的輸入功率，等于輸出功率與系統(tǒng)效率的比值。最后我們得到電容上電壓波動范圍計算式如下：
其中fin表示工頻頻率，50或60Hz，η為系統(tǒng)的效率。從上面的計算可以看出，變換器輸入直流電壓的波動正比于輸入功率，反比于輸入電容容量。對于離線式反激式變換器，一般按照每W輸出功率2—3μF選取輸入濾波電容。在確定輸入濾波電容容量后，就可以得到變換器的輸入直流電壓范圍。例如，對于圖七所示電路，輸入85V—265V交流市電，預(yù)估效率為0.75，取Dch=0.2，得到如下計算結(jié)果：
變壓器是開關(guān)電源設(shè)計中的難點和重點，因此講述的內(nèi)容較多，下期將為大家詳細講解。
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