如何为隔离降压转换器选择变压器

本文阐述隔离式降压转换器的工作原理，以及应如何选择变压器，这是设计隔离式降压转换器的关键。本文探讨在选择变压器时应考虑哪些参数、应采用哪些数学公式进行运算，以及这些参数会如何影响整个电路。

隔离式降压转换器的工作原理

隔离式降压拓扑与通用降压转换器拓扑相似，如图1所示。使用变压器替换降压电路中的电感器，就可以得到隔离式降压转换器。变压器的副边可以独立接地。

图1. 隔离式降压拓扑。

在导通期间，高侧开关管(QHS)接通，低侧开关管(QLS)断开。变压器的磁化电感(L_PRI)此时被充电。电流方向如图2中的箭头所示。原边电流随时间线性增加。电流的斜率取决于(V_IN – V_PRI)和 L_PRI。在此时段内，副边二极管D1反向偏置，电流从输出电容 (C_OUT)传输至负载。

图2. 导通时段等效电路。

在关断期间，QHS断开，QLS接通。原边电感放电。原边电流从 QLS流向地，D1正向偏置，副边电流从副边线圈流向C_OUT和负载。在此时段，输出电容（C_OUT）被充电。（断开QHS和接通QLS不会改变电流方向；只会改变电流坡度。在正电流降至0 A之后，反向电流开始增大。）

图3. 关断时段等效电路。

哪些规格参数将影响变压器选择？

在设计转换器时，应明确指定一些规格参数。它们将决定电路选用哪些器件尤其是选用那个变压器。

◇ 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)通常介于0.4至0.6之间。最小输入电压(V_{IN_MIN})和最大占空比将决定原边输出电压(V_PRI)。原边输出电压(V_PRI)和副边输出电压(V_OUT)将决定变压器的匝数比。

输出电流(I_OUT)和输出功率(P_OUT)是影响变压器选择的重要参数。输出电流决定铜线的粗细，输出功率决定应使用哪个变压器线轴。线轴的磁导率决定它能存储多少电能，能输出多少功率。一般来说，DC输出电流乘以一个系数，就能得出电感（变压器）的纹波电流。占空比和开关频率可以用来计算T_ON时间，V_IN、V_PRI和纹波电流可以确定原边电感。分配的系数不能太大或太小，较大的系数会导致高纹波电流。高纹波电流可能达到半H桥限流值的，这会损坏MOSFET。由于存在ESR和ESL，输出电容将会承受大纹波电压。与之相反，当需要极小的纹波电流时，应使用电感值很高的电感器（变压器）。如果线圈匝数很多，则需要使用笨重的线轴。大电感会限制环路带宽，降低动态响应系数。

选择变压器

电能仅在T_OFF时间内传输至副边线圈。匝数比可以通过公式1计算：

其中，V_D表示副边二极管正向偏置电压。V_PRI的最大占空比一般介于0.4至0.6之间。V_PRI可以采用公式2计算：

其中，D为最大占空比，V_{IN_MIN}为最小输入电压。使用公式2可计算出匝数比。在非隔离降压转换器中，电感两侧的纹波电流相同。利用公式3可轻松计算出所需的电感。

其中f为开关频率，ΔI为纹波电流。如前所述，我们设定纹波电流= DC输出电流 x 系数。

其中K为系数。但是，隔离式降压转换器拓扑中只有变压器，没有电感。如果其中的组件是变压器而非电感时，该怎么办？我们知道，电流比等于匝数比的倒数：

IPRI_TOFF是关断期间副边电流，它在关断期间会激励原边产生电流。应添加变压器双线圈电流，将其作为等效电感电流。

其中，ILeq表示等效电感电流。如果变压器还有三个绕组，那么

是这样吗？我们来看看基于MAX17682得出的仿真结果。图4显示 MAX17682电路，采用EE-Sim^® OASIS绘制，由SIMetrix/SIMPLIS提供。变压器两侧装有电流检测探头，分别为I_PRI和I_SEC1。

图4. MAX17682典型电路，采用EE-Sim OASIS绘制，由SIMetrix/SIMPLIS供电。

图5. MAX17682典型电路的仿真电流波形。

图5显示两个探头的瞬态仿真结果。这两个电流波形是根据公式6得出并添加的。

添加的电流结果（红色）为三角波，其表现就像是非隔离降压转换器中的电感。因此，可以使用以下公式轻松计算出变压器的原边ΔI：

通常，采用0.2倍DC输出电流作为负载纹波电流。所以，K等于0.2 乘N_SEC/N_PRI。同时，原边峰值电流应低于开关限流值，其中I_PK的计算公式如下：

变压器的原边电感可以使用以下公式计算得出：

根据匝数比、原边电感、输出功率、输出电流和隔离电压，可以决定应使用哪个电感。

为何简化公式是有效的

下面介绍如何更好地理解和使用MAX17682数据手册中所示的公式（参见图6）。

图6. MAX17682数据手册的屏幕截图。

如前所述，可以将公式10改写为公式11，以得出关断期间的等效公式。

假设D为0.6，只有当ΔI为0.4 A，多项式(1 – D)和ΔI才会抵消。公式 11和图6所示的公式相同。数据手册中的公式已选择原边纹波电流。如果指定D为0.6，那么原边纹波电流为0.4 A。在数量上，T_OFF占空比等于原边纹波电流。

结论

根据图6所示的简化公式，指定原边纹波电流等于T_OFF占空比时，可以更快完成设计。如果想更改原边纹波电流或使用其他参数，可以按照本教程说明进行操作。