设计隔离降压转换器时如何选择变压器

　　本文介绍了隔离降压转换器的工作原理以及如何选择变压器——这是设计隔离降压转换器的关键部分。它讨论了选择变压器时要考虑哪些参数、要遵循的数学原理，以及它们如何影响整个电路。
　　隔离式降压转换器如何工作？

　　如图 1 所示，隔离降压拓扑与通用降压转换器类似。使用变压器取代降压电路中的电感器可形成隔离式降压转换器。变压器的二次侧有独立的接地。

　　图 1. 隔离式降压拓扑。图片由博多电力系统提供 

　　高侧开关 (QHS) 在导通期间打开，低侧开关 (QLS) 关闭。变压器的磁化电感(LPRI) 已充电。图 2 中的箭头显示电流方向。初级电流线性增加。电流斜坡斜率取决于 (VIN – VPRI) 和 LPRI。次级侧二极管 D1 在此时间间隔内反向偏置，负载电流从 COUT 流向负载。

　　图 2. 导通期间等效电路。图片由博多电力系统提供

　　关闭期间，QHS 关闭，QLS 开启。初级电感器放电。初级电流从QLS流向地，D1正向偏置，次级电流从第二侧线圈流向COUT并流向负载。COUT 在此时间段内充电。（关闭QHS并打开QLS不能改变电流方向，只能改变电流斜率。正电流减小到0A，然后负电流增大。

　　图 3. 关断期等效电路。图片由博多电力系统提供 [PDF]
　　哪些规格会影响变压器？
　　设计转换器时应声明并明确一些规格。这将决定使用哪个组件，特别是在选择变压器时。
　　输入电压范围
　　输出电压
　　占空比
　　开关频率
　　输出电压纹波
　　输出电流
　　输出功率
　　占空比 (D) 通常指定在 0.4 至 0.6 范围内。输入电压 (VIN_MIN) 和占空比将决定主输出电压 (VPRI)。然后，初级输出电压（VPRI）和次级输出电压（VOUT）将决定变压器匝数比。
　　输出电流 (IOUT) 和输出功率 (POUT) 是影响变压器选择的关键参数。输出电流决定了铜线的粗细，而输出功率则决定了应使用哪个变压器骨架。线轴的磁导率表明它可以存储多少能量以及可以输出多少功率。一般来说，直流输出电流乘以一个系数就等于电感器（变压器）的纹波电流。占空比和开关频率用于计算 TON 时间，而 VIN、VPRI 和纹波电流则确定初级电感。指定的系数不能太大或太小，因为大的系数会导致大的纹波电流。大纹波电流可能达到 H 桥电流限制的一半并损坏 MOSFET。
　　相反，当需要极小的纹波电流时，就必须使用高电感值的电感器（变压器）。如果线圈有很多匝，则需要笨重的骨架。大的电感会限制环路带宽并降低动态响应指标。
　　选择变压器
　　能量仅在 TOFF 时间内传输至次级线圈。匝数比可由公式 1 确定：　V O U T + V D V P R I= NSEC N P I( 1 )

　　其中V D是次级二极管正向偏置电压。对于 V PRI，我们通常指定占空比为 0.4 到 0.6。V PRI可以使用公式 2 计算：　　V　　V P R I = D × V I N _ M I N( 2 )　

   　其中 D 是占空比，V IN_MIN是输入电压。根据公式 2，我们可以计算匝数比。在非隔离降压转换器中，电感两侧的纹波电流相同。我们可以使用公式 3 轻松计算所需的电感。

   　L = ( V I N _ M I N ? V O U T ) × D f × Δ I( 3 )
　　其中f是开关频率，ΔI是纹波电流。如前所述，纹波电流等于直流输出电流乘以一个系数：

　Δ I输出× K( 4 )　

　其中K是系数。但在隔离式降压转换器拓扑中，只有变压器而不是电感器。当元件是变压器而不是电感时我们该如何处理？众所周知，电流比等于匝数比的倒数：

　　I P R I T OF F = I SEC × N SEC N P R I( 5 )　　

其中 IPRI TOFF是在 T OFF时间内次级电流转换为初级电流。我们应该添加变压器的两个线圈电流作为等效电感电流。

　I L e q = I P R I + I SEC × N SEC N P R I( 6 )　　图 4.  EE-Sim OASIS 中的 MAX17682 典型电路，由 SIMetrix/SIMPLIS 供电。图片由博多电力系统提供 [PDF]
　　其中 ILeq 是等效电感电流。如果变压器还有三个绕组，则

　I L e q = I P R I + I SEC × N SEC N P R I+ I TH I　

   　它是否正确？让我们看一下基于MAX17682的仿真结果。图4显示了MAX17682电路，该电路是在EE-SimOASIS中绘制的，由SIMetrix/SIMPLIS供电。标记为 I PRI和 ISEC1 的电流探头已放置在变压器的两侧。

　　图 5 显示了两个探头的瞬态仿真结果。使用公式 6 将两个电流波形相加。
　　三角波中添加的电流结果（红色）的行为类似于非隔离降压转换器中的电感器。因此，变压器的初级 ΔI 可以很容易地计算出来：

　　Δ I = ( I P R I + I SEC × N SEC C N P R I) × K( 8　　通常，我们指定的负载纹波电流为直流输出电流的 0.2 倍。因此，K可以分配为NSEC/NPRI的0.2倍。同时，初级峰值电流应设计为小于开关电流限制，其中IPK为：　IPK =ILe q DC + Δ I 2( 9 )　

 　然后，可以很容易地计算出变压器的初级电感：

  　L P R I = ( V I N _ M I N ? V P R I ) × D f × Δ I( 10 )

　　利用匝数比、初级电感、输出功率、输出电流和隔离电压，我们可以决定使用或设计哪个电感器。

　　为什么简化的方程可以起作用
　　让我们看看如何更好地理解和应用 MAX17682 数据手册中所示的公式（见图 6）。
　　根据前面的讨论，对于 TOFF 时间，公式 10 可以重写为遵循公式 11。

　L P R I = V P R I × ( 1 ? D ) f × Δ I( 11 )

 　　图 5.  MAX17682 典型电路仿真电流波形。图片由博多电力系统提供

　　图 6.  MAX17682 数据手册的屏幕截图。图片由博多电力系统提供

　　假设D为0.6，当且仅当ΔI为0.4A时，多项式(1 – D)和ΔI可以减小。那么，方程 11 和图 6 中的方程是相同的。数据表中的方程已选择初级纹波电流。如果我们将 D 指定为 0.6，则初级纹波电流为 0.4A。从数量上看，TOFF 占空比等于初级纹波电流。　Δ = 1 ? D( 12 )　

　确保更快的设计

　　使用图 6 所示的简化方程，用户可以确保更快的设计，其初级纹波电流等于 TOFF 占空比。如果您想修改初级纹波电流或使用其他参数，请按照本教程进行操作。