基于VIPer22A变换器的高频电源变压器设计.doc

基于VIPer22A变换器的高频电源变压器设计随着集成化的发展，开关电源电路结构设计的复杂程度相对减弱，高频变压器的设计就上升到较重要地位了。本文在简介了VIPer22A器件及其制作的开关电源工作原理之后，结合实例着重说明了变换器中高频电源变压器的设计步骤和调试方法。 关键词：功率变换器电感储能式变换器磁感应强度1、引言近两年来，单片式开关电源功率变换器VIPer22A因其封装小巧、外围电路简练、工作稳定可靠程度高等因素，应用一天天多了起来。VIPer22A芯片内部采用电流控制型PWM调制器，适用于电池充电器、电源适配器、电视机或监控器的待机电源，尤其适用于各种控制电路的辅助电源。进一步分析下来，觉得其外围电路易于掌握，但对其电源变压器各项参数，却往往疏于深入了解。这里就着重阐述一下单片式开关电源变换器VIPer22A的高频变压器的设计、调试程序及其具体方法，也许不是没有裨益的。2、VIPer22A功能概述2.1、VIPer22A器件的内部电路结构框图VIPer22A单片开关电源变换器内部电路结构框图功能概述VIPer22A型单片式开关电源功率变换器，内部高压功率MOSFET漏-源极的击穿电压可达730V以上；极限电流在0.560.84A之间（典型值为0.7A），通态电阻15；输入电压在由85265VAC范围内波动时，可输出12W的功率；具有过流、过压和过热等带迟滞特性的保护功能，因此其工作稳定可靠性能极好。只要变压器设计无误，几乎无需调试，连通电路就能正常投入运行。其封装形式为DIP-8封装。FB为输出电压反馈端，其电压范围在01V之间。UDD为控制电路的电源端，上电瞬间由来自高压电流源的电流向UDD端包括外围电容充电，当UDD端电压达到14.5V时，自动关断高压电流源；当UDD低至8V时又自动开启高压电流源。功率MOSFET开始工作以后，改由电源变压器的辅助绕组继续供电，确保器件始终处于正常运行状态。 3、整体电路工作原理应用单片开关电源变换器VIPer22A制作的的12V开关电源，其电原理图如图二所示。原理图启动过程接通电源瞬间，VIPer22A变换器内的高压电流源投入运行，并自动启动电源，当UDD电压达到开启电压值UDD（ON）14.5V（典型值）时，高压电流源被关断，功率MOSFET投入工作，辅助绕组在高压电流源关断后即开始为芯片供电，至此，VIPer22A变换器完成启动程序。变压器T的初级绕组中将有电流流过，该电流在变压器磁芯中产生磁通，磁通的出现在各绕组中产生感应电势，其方向如同名端符号所示。其次级的感应电势也为VIPer22A提供了电源电压VDD，瞬间就使变换器投入正常运行。各绕组同名端表明，在功率MOSFET导通时，整流管VD7呈反向偏置状态；功率MOSFET截止时，VD7导通故称单端反激式变换器，也称电感储能式变换器向电容C9和C10充电，由于工作频率高达60KHz，即使电容量不大，也可以满足负载对纹波电压的要求。平波电感L的数值在几十微亨即可满足对纹波电压的要求，有些场合甚至可以不要，加大滤波电容的容量即可。 3.2、自动调节过程当外电压波动时，反馈到集成可调基准稳压器N3输入端1脚的电压相应变化引起其输出端3脚电压反向（与N3的1脚电压变化方向相反，下同）的变化，再通过光耦N2使集成电源变换器N1的控制端3脚FB电压反向变化，从而N1内的功率MOSFET的栅极脉宽反向变化，最终引起输出端电压反向变化，而使输出电压最大限度地恢复到外电压波动前的数值上。当输出端的负载电流发生变化时，输出电压也会相应变化，同样要引起N3输入端电压的变化，N3输出端的变化通过光耦N2使N1的FB电压变化，从而N1内的功率MOSFET的栅极脉宽反向变化，最终引起输出端电压反向变化而保持其输出电压的尽量稳定。通常稳压器的源电压调整率优于负载调整率，对于开关稳压器尤其是这样。应用VIPer22A器件制作的稳压器，其负载调整率低于源电压调整率，所以一般都将该器件应用于输出电流固定或变化不大的场合下。4、高频电源变压器的估算凡学过电子线路的，对开关电源也不会陌生，甚至还会觉得很简单；一旦制作出来，却又觉得不甚满意。查找原因，往往是高频电源变压器参数没选好。下面结合一个单端反激式变换器实例介绍该变压器T的估算方法。4.1、磁芯的估算采用单片开关电源功率转换器VIPer22A，给定输出功率为8W，效率为0.8，输入功率为10W；磁心材料为MnZn功率铁氧体R2K5D。参照新型开关电源及应用一书，将实选数值代入的求值公式得：选EI25型磁芯，得磁芯截面积Sc约等于0.43Cm2，窗口截面积So约为0.78Cm2，0.430.780.34Cm40.07Cm4，所以磁芯满足要求。一方面，磁感应强度不应选得太大，选得太大磁芯将进入于饱和区，开关电源无法正常工作，甚至毁坏元器件。另一方面，磁感应强度也不应取得太保守，取保守值势必增加圈数，并增大气隙，也就是增大了漏感，增大了尖峰电压；尖峰电压过大，也就增加了噪声电压，最重要的是降低了工作可靠性和使用寿命，集成电路VIPer22A容易损坏。之所以选用较大磁芯，完全是出于试制方便上的考虑的。试制以后，完全可以选用小些的磁芯，如EI22等。 4.2、匝数的估算次级绕组匝数AC220V整流滤波后按300V计算。参照新型开关电源及应用一书上的公式得：NP240.6T，取240T，为初级绕组数。导线取0.17mm漆包线。初级匝数大体上的核算参照新型开关电源及应用一书上的公式得：H348Am已知R2K3D铁氧体的H值为1194Am，远大于计算值348Am，故认为满足要求。次级绕组匝数式中：-变压器次级输出电压，考虑到各种压降，应为1.5倍的额定直流输出电压，即1.51218V；-变压器初级考虑到可能输入的最低电压，取127V。代入（3）式，得N34T。导线取0.47漆包线。反馈绕组提供840V的VDD电压，由于提供电流很小，可取导线选0.11漆包线。取240T，电感量为8.6mH（磁芯间垫入三层打印纸），34T。当输出DC16.1V0.32A时，脉宽为5S17S58.4KHz，反向电压峰值44V；反馈电压DC18.5V。当输出DC12V时，脉宽为4S，反向电压峰值44V，反馈电压DC12.3V。该组数据的电压波形上无尖峰电压，前后沿也很陡峭，值得采用。若反馈电压低于10V，可将NF的匝数适当增加。 4.3、线径的估算10W以下的小型高频变压器，尤其是在风冷条件下，散热良好，其绕组导线截面积可按流过电流的有效值（34）Amm2来选即可；当然，若是窗口面积允许，按（23）Amm2更好。当线径小于1mm时，可不考虑或忽略高频电流集肤效应的影响；否则，可采用几根细线并为一股并绕。电流有效值与最大值有如下关系4.4、电感量的测量与调整尽管开关电源也属电子线路范畴，通常的测试仪器仪表就能满足需求，但高频变压器初级绕组电感量必须备有精度较好的电感表来检测，不能以匝数相同磁芯牌号一样而免检。一般来说，高频变压器磁芯间总要垫入几片纸以确保留有一定的磁隙的。这样做的目的有三：1.避免磁芯磁感强度进入饱和区，确保工作稳定可靠性能；2.调整电感量，满足输出功率的要求；3.在满足输出功率的情况下降低电感量，削减尖峰电压，增加安全可靠度。所以该工序不能省略。 5、结论尽管单片开关电源功率变换