基于MP6004的反激式變換器設(shè)計步驟

在當(dāng)今眾多的變換器拓撲結(jié)構(gòu)中，反激式拓撲是最常用的一種。盡管很簡單，但這種變換器設(shè)計卻賦予很多應(yīng)用巨大的優(yōu)勢。近年來，很多更新、更復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，但反激式變換器設(shè)計仍然很流行。

這種開關(guān)模式電源變換器在中低功率范圍（約 2W 至 100W）內(nèi)提供了極具競爭力的尺寸、成本與效率比。反激式變換器的操作基于耦合電感器，它實現(xiàn)了電源轉(zhuǎn)換，同時還可以隔離變換器的輸入和輸出。耦合電感器還支持多個輸出，這使反激式變換器成為多種應(yīng)用的理想選擇。

反激式變換器操作

反激式變換器的基本組成元件與大多數(shù)其他開關(guān)變換器拓撲相同，唯一的不同是它采用了耦合電感器，它將變換器的輸入與輸出隔離（見圖 1）。

圖1: 反激式變換器原理圖 ? ?

反激式變換器有兩個信號半周期：?tON?and tOFF,它們以MOSFET的開關(guān)狀態(tài)命名并受其控制。

在tON期間，MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流從輸入端流經(jīng)原邊電感器并對耦合電感器進行線性充電。在tOFF期間, MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，耦合電感器開始通過二極管去磁。來自電感器的電流為輸出電容器充電并為負載供電。

反激式變換器設(shè)計及組件選型

設(shè)計一個反激式變換器需要做出許多重要的設(shè)計決策與權(quán)衡。下面我們將介紹一個簡單的反激式變換器設(shè)計過程中的每個步驟。圖2顯示了我們將遵循的設(shè)計流程。

圖2: 反激式變換器設(shè)計流程 ? ?

反激式變換器設(shè)計過程與計算 ?

步驟1: 設(shè)計輸入

設(shè)計輸入或由最終應(yīng)用確定，或由設(shè)計人員來選擇。這些參數(shù)包括但不限于：輸入和輸出電壓、功率、紋波系數(shù)和操作模式。表1羅列了本文所討論電路的設(shè)計輸入。

表1: 設(shè)計輸入總結(jié)

非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)具有較高的穩(wěn)定性和效率，我們?yōu)榇藨?yīng)用選擇了該模式。這意味著該解決方案的紋波系數(shù)為1。

其最大占空比固定為50%，以最大限度地減少應(yīng)力并均衡利用MOSFET和二極管。開關(guān)頻率則選擇為160kHz。

為使計算更加實際，變換器的估算效率也被定義。盡管該估值相對較低（約80%），但卻是低功率反激式變換器的常見效率值。

根據(jù)所有這些輸入，設(shè)計人員必須選擇滿足所有初始要求的控制器 IC。本例采用了MPS的MP6004。MP6004是一款僅支持DCM模式的反激式控制器。它還提供原邊調(diào)節(jié)功能，可減少外部組件的數(shù)量。

步驟2: 最大原邊電感計算及選擇??

第一個設(shè)計計算用于找到最大原邊電感值。有許多不同的設(shè)計方法可以用于計算該值，但本例中的變換器始終運行在DCM模式，因此我們采用如下的公式 (1)來計算原邊電感值(LP):

最壞情況發(fā)生在變換器以最小輸入電壓（VIN）和最大占空比（D）且全功率工作時。將設(shè)計輸入代入公式（1），可以得到最大電感器限值為53μH。? ?

接下來計算所需的匝數(shù)比 (nS1)。我們?nèi)允褂米钚IN和最大D以得到最壞情況下的值，同時增加二極管的正向壓降以使計算更加精確。用等式(2)來估算nS1：

步驟3: MOSFET計算??

下一步是為應(yīng)用選擇合適的MOSFET。為此，我們需要計算開關(guān)必須承受的最大電流和電壓。首先利用公式 (3) 來計算最大電壓：

注意，?VDS_MAX上增加了20%的安全裕度，以確保變換器的安全運行。然后我們利用公式 (4) 來估算最大電流：

查看MP6004控制器規(guī)格，可以知道MOSFET的VDS_MAX?為180V，最大電流為3A。這意味著該控制器IC可以在此應(yīng)用中安全使用。

步驟4: 整流二極管計算

該步驟用于評估整流二極管。與MOSFET一樣，其目的是確保整流二極管能夠處理它可能遇到的最大電壓和電流。首先利用公式（5）來計算二極管能承受的最大電壓：

通過增加40%的安全裕度，得到最大反向電壓為60.5V。

步驟5: 輸出電容器計算??

我們用一個估值來確定輸出電容的值，即忽略電路的二階方面，如寄生分量和輸出串?dāng)_。利用公式 (6) 來估算電容的電壓值：

請注意，如果該公式用于tON,則可以大大簡化。利用公式 (7) 計算輸出電壓紋波：

接下來，選擇一個電容值以得出最佳紋波電壓。本例使用了一個250μF的電容器，其輸出電壓紋波為12.5mV。

步驟6：反激變壓器的設(shè)計和計算 ???

下一步是變壓器的設(shè)計。變壓器選型需要做出許多設(shè)計決策，例如磁芯材料和磁芯形狀的選擇。每種選擇都有其特定的優(yōu)勢，在本例中，我們選用了常見的雙E形鐵氧體磁芯（見圖3）。

圖 3：變壓器雙E型磁芯和變壓器主要構(gòu)成

用于計算變壓器面積的方法稱為AP法。它將變壓器的總面積定義為繞組窗口面積與磁芯橫截面面積的乘積，所有變壓器的磁通量都匯集于這些位置（見圖 4）。? ?

圖4: AP法涉及的區(qū)域

變壓器面積可以用公式 (8) 來估算：

現(xiàn)在，我們已定義了方法和設(shè)計參數(shù)，然后就可以通過一組快速計算來設(shè)計變壓器。

首先，用公式 (9) 計算最小變壓器面積：

BMAX通常是已確定的輸入?yún)?shù)；對于鐵氧體磁芯，一般在0.2T到0.3T之間。使用AP 法，最后可以選擇一個EE13磁芯和一個最小長度為0.28mm的變壓器骨架。

然后計算適合這個變壓器的最大原邊匝數(shù)和副邊匝數(shù)，并保證符合等式 (2)中計算出的匝數(shù)比。用公式 (10) 計算原邊匝數(shù)：

用公式 (11) 估算副邊匝數(shù)：

輔助繞組匝數(shù)與副邊輸出匝數(shù)的計算方法相同，最后得到NAUX?= 5.

步驟7: 緩沖器設(shè)計和計算??

設(shè)計流程的最后一步是找到合適的緩沖器值。緩沖電路有助于減輕開關(guān)節(jié)點的電壓尖峰，這些尖峰是由于變壓器漏電感和電路中雜散電容之間的振鈴而導(dǎo)致。如果沒有緩沖器，電壓尖峰會增大噪聲，甚至?xí)?dǎo)致MOSFET擊穿。圖5顯示了帶緩沖電路的反激式變換器。? ?