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如何为隔离式Buck DC-DC转换器选择变压器?

2021年01月04日 10:06 次阅读

本文讨论了如何为isobuck转换器选择变压器,以及为什么我们使用MAX17682和MAX17681的数据手册中的简化公式。它还介绍了隔离式BUCKDC-DC转换器的基本工作原理。

选择变压器似乎是设计隔离式BUCKDC-DC转换器的过程中最关键步骤。本文将讨论隔离式BUCKDC-DC转换器的工作原理,选择变压器时应重点关注哪些参数,这些参数如何影响选择变压器以及所选变压器如何影响电路参数。

隔离式BUCKDC-DC转换器如何工作?

就像BUCK转换器一样,下图向我们展示了ISO降压拓扑。显然,通过用变压器代替BUCK电路中的电感器,我们可以获得一个隔离式BUCK转换器。变压器次级侧具有独立的地。

Figure1Iso-BuckTopology

在导通时间(Ton)内,高侧开关(QHS)接通,低侧开关(QLS)断开。变压器励磁电感LPRI被充电。图中的箭头显示了电流的流向。初级电流线性增加。电流随时间变化的斜率取决于(Vin-Vpri)和Lpri。在此时间间隔内,次级侧二极管D1被反向偏置,负载电流从COUT流向负载。

Figure2OnPeriodEquivalentCircuit

在关断时间(Toff)内,QHS关闭并且QLS打开。初级电感器放电。初级侧电流从QLS流到到初级侧地,D1此时被正向偏置,次级侧电流从次级侧线圈流到到输出电容和负载。在这段时间内输出电容被充电。(关闭QHS并打开QLS不能改变电流方向,它改变了电流斜率。正电流减小到0A,然后负电流增大。)

Figure3OffPeriodEquivalentCircuit

哪些参数会影响变压器的选择?

当设计电源时,一些参数和规格应该被明确。这些参数将决定外围器件(如输入电容,取样电阻等)的选型,尤其是变压器。

输入电压范围INPUTVOLTAGERANGE

输出电压OUTPUTVOLTAGE

最大占空比MAXDUTYCYCLE

开关频率SWITCHFREQ

输出电压纹波OUTPUTVOLTAGERIPPLE

输出电流OUTPUTCURRENT

输出功率OUTPUTPOWER

我们通常将最大占空比(D)分配为0.4到0.6。最小输入电压(VIN_MIN)和最大占空比将决定初级侧输出电压(VPRI)。初级输出电压和输出电压(VOUT)确定变压器匝数比。

输出电流(IOUT)和输出功率(POUT)可能是影响变压器选择的最关键的参数。输出电流将决定至少应使用多粗的铜线。输出功率将决定应使用哪种变压器骨架。骨架的磁导率表明了它可以存储多少能量,从而可以输出多少能量。通常,我们使用直流负载电流乘以一个系数来指定电感器(变压器)的纹波电流。占空比和开关频率将告诉我们TON时间,借助VIN和VPRI以及纹波电流,我们可以确定初级侧电感值。系数不应分配得太大或太小。较大的系数会导致较大的纹波电流。大的纹波电流可能会超出H桥电流限值,这可能会损坏MOSFET,并且由于输出电容的ESR和ESL,大的纹波电流会在输出电容器上导致较大的纹波电压。相反,当我们想要极小的纹波电流时,我们的计算会得到一个大电感值的电感器(变压器),它将是一个大骨架和内部具有大量绕组的线砸,并且大电感将限制环路带宽并降低动态响应指数。

选择变压器

显然,能量仅在关断时间内传输到次级侧。所以,匝数比可以通过以下公式确定:

其中VD是次级二极管的正向偏置电压。对于Vpri,我们通常将最大占空比分配在0.4到0.6的范围内。Vpri可以通过以下公式计算:

其中D是最大占空比,Vin_min是最小输入电压。从上面的讨论中,我们就可以计算匝数比了。作为非隔离buck转换器,电感器两边的纹波电流相等。轻松地,我们可以按以下在Ton时间的电感特性公式计算所需的电感值:

其中,f为开关频率,ΔI为纹波电流。正如我们所说,纹波电流是直流负载电流乘以一个系数:

K是系数。但是在隔离buck转换器拓扑中,这里是一个变压器,而不是电感器。我们该如何处理?我们知道变压器两侧的电流和匝数成反比:

其中Ipri_toff是次级侧电流在Toff时间内转换为初级测的等效电流,需要注意的是次级侧线圈仅在Toff时间内输出电流。也许我们可以将两者电流相加作为等效的电感器(等效)电流。

其中ILeq是等效电感电流。如果变压器还有3个绕组,

这正确吗?我们来看看基于MAX17682的仿真结果。以下截图是在SIMPLIS中绘制的MAX17682典型电路。电流探头已放置在变压器的两侧,分别称为IPRI和ISEC1。

Figure4MAX17682TypicalCircuiTInSIMPLIS

下面的屏幕截图是这两个探头的瞬态仿真结果。我根据上述方程式添加了这两个电流波形的和。

Figure5MAX17682Typicalcircuitsimulatecurrentwaveform

显然,电流相加的结果(青色)是三角波,就像非隔离BUCK转换器中的电感器一样。因此,可以很容易地计算出变压器的初级侧ΔI:

通常,我们将负载电流纹波分配为直流输出电流的0.2倍。因此,可以将K分配为匝数比乘以0.2。同时,初级峰值电流应保证小于开关限制。峰值电流Ipk如下:

而后可以很容易地计算出所需变压器的初级侧电感值:

通过使用这些参数,如匝数比、初级电感、输出功率、输出电流、隔离电压,我们可以决定选择使用哪个电感器。

为什么Maxim的简化公式可以使用?

首次使用MAX17682数据手册时,您可能会怀疑。手册向我们展示了一个如下屏幕截图的公式。在度量单位上似乎甚至是错误的。我们如何看待这个方程式?我们如何理解它?

Figure6MAX17682datasheetshot

根据以上讨论,等式(10)可以在TOFF时间内重写为以下等式。

我们假设D为0.6,当且仅当ΔI为0.4A多项式(1-D)和ΔI可以被约分,则等式(11)和数据表中的等式相同。显然,数据手册中的公式已经选择了初级纹波电流。如果我们给D分配0.6,则初级纹波电流为0.4A。在数量上,TOFF占空比等于初级纹波电流。

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