如何为隔离式降压转换器选择变压器

本教程讨论如何为iso降压转换器选择变压器，并回顾为什么使用MAX17681/MAX17682数据资料中的简化公式。它还概述了隔离式降压转换器的基本原理。

介绍

选择变压器可能是设计隔离式降压转换器的关键过程。本教程讨论隔离式降压转换器的工作原理、选择变压器时应关注的参数、这些参数如何影响变压器的选择以及变压器如何影响电路参数。

隔离式降压转换器如何工作？

与降压转换器一样，图1显示了iso降压拓扑。通过用变压器代替降压电路中的电感，得到一个iso降压转换器。变压器二次侧有独立的接地。

图1.等降压拓扑。

在导通期间，高端开关 （QHS） 导通，低端开关 （QLS） 关闭，变压器磁化电感 （LPRI） 充电。框图中的箭头（图2）显示了当前的流动方向。变压器初级电流线性增加。电流斜率取决于（V在， w普里普利）和LPRI。次级侧二极管（D1）在此时间间隔内反向偏置，并加载来自C的电流外加载。

图2.在周期等效电路上。

在关断期间（图3），QHS关闭，QLS导通，变压器初级侧电感放电。初级电流从QLS流向地，D1正向偏置，次级电流（N秒） 从第二侧线圈流向 C外和加载。C外在此期间充电。（关闭QHS并打开QLS不能改变当前方向，它只会改变当前斜率。正电流减小直到0A，然后负电流增加）。

图3.关断期等效电路。

哪种规格会影响变压器？

在设计转换器时，应声明和定义一些规格，因为它将决定将使用哪个组件，特别是在变压器中。

输入电压范围

输出电压

最大占空比

开关频率

输出电压纹波

输出电流

输出功率

最大占空比（D）通常在0.4至0.6的范围内分配。最小输入电压（VIN_MIN）和最大占空比决定了初级输出电压（V普里普利）。初级输出电压和输出电压（V外） 确定变压器匝数比。

输出电流（I外）和输出功率（P外） 是影响变压器选择的关键参数。输出电流有助于确定铜线的粗细，输出功率决定使用哪种变压器骨架。骨架的渗透性表明它可以储存多少能量，以及它可以输出多少能量。通常，直流输出电流乘以系数分配给电感器（变压器）的纹波电流。占空比和开关频率用于计算 T上时间，而 V在/ 5普里普利，纹波电流决定初级电感。分配的系数不能太大或太小，因为较大的系数会导致较大的纹波电流。较大的纹波电流可能导致 H 桥电流限值减半，这可能会损坏 MOSFET。由于其ESR和ESL，较大的纹波电流将导致输出电容器上的纹波电压较大。相反，当需要极小的纹波电流时，请使用大电感电感器（变压器）。它将是一个大骨架，变压器绕组的尺寸很大。大电感将限制环路带宽和环路响应性能。

选择变压器

显然，能量仅在 T 中转移到次级关闭时间。匝数比可以通过以下公式确定：

（公式1）

其中VD是二极管（D1）正向偏置电压。对于 Vpri，指定的最大占空比范围为 0.4 到 0.6。Vpri 可以通过以下公式计算：

（公式2）

其中 D 是最大占空比，VIN_MIN是最小输入电压。根据公式2，计算匝数比。由于电感器遵循伏秒平衡低电平，因此所需的电感由以下公式（以T为单位）计算上时间：

（公式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系数：

（公式4）

其中 K 是系数。但在iso降压转换器拓扑中，有一个变压器而不是电感器。我们该如何处理？流动比率与匝数比率成反比：

（公式5）

哪里 伊普里托夫是次级电流，在T期间转换并转移到初级侧关闭时间。初级侧和次级侧电流的总和可视为等效电感电流。

（公式6）

其中ILeq是等效电感电流。如果变压器还有三个绕组，则等式如下：

（公式7）

但这是正确的吗？让我们用基于MAX17682的仿真结果来验证它。图4所示为MAX17682典型电路的屏幕截图。电流探头IPRI和ISEC1放置在变压器T1的两侧。

图4.MAX17682典型电路，采用单程计算

图5是两个探头产生的瞬态仿真的屏幕截图。使用上述公式将两个电流波形相加。

图5.MAX17682典型电路的仿真电流波形

显然，增加的电流（青色）会产生三角波，就像非ISO降压转换器中的电感一样。然后可以轻松计算变压器初级ΔI：

（公式8）

通常，分配的负载电流纹波是直流输出电流的0.2倍。K 可以分配给 0.2 倍 Nsec/Npri。同时，应保证初级峰值电流小于限位开关。Ipk 在哪里：

（公式9）

变压器初级电感的计算公式为：

（公式10）

通过使用匝数比、初级电感、输出功率、输出电流和隔离电压参数，可以决定电感器设计。

为什么简化方程有效？

选择电感时，使用MAX17682数据资料（图6）可能存在一些不确定性。让我们看看如何更好地理解它并将其用于我们的应用程序。

图6.MAX17682数据资料公式

根据上面的例子，公式10可以重写为遵循T的这个方程。关闭时间。

（公式11）

假设 D 为 0.6，当且仅当 ΔI 为 0.4A，多项式 （1 - D） 和 ΔI 减少。然后，公式11和图6中的公式相同。数据表中的公式已经选择了初级纹波电流。如果我们将D指定为0.6，则初级纹波电流为0.4A。在数量上，T关闭占空比等于初级纹波电流。

（公式12）

结论

通过使用图6所示的简化公式，用户可确保设计速度更快，初级纹波电流等于Toff占空比。如果要修改初级纹波电流或使用其他参数，本教程讨论了如何实现该电流。

审核编辑：郭婷