经验谈：写给新手的反激变压器KRP详解

反激变压器变压器的优点自是不必多说 很多新手都通过反激电源的制作来熟悉电源设计 目前网络上关于反激变压器的学习资料五花八门且比较零散 本文就将对反激变压器的设 计进行从头到尾的梳理 将零散的知识进行整合 并配上相应的分析 帮助大家尽快掌握 今天将进行一个较为完整的分析 KRP 作为反激变压器中的灵魂参数 该如何对其进 行取舍 值得我们深入探讨 首先先对文章当中的将要提到的一些名词进行解释 工作模式 即电感电流工作状态 一般分 DCM CCM BCM 三种 定性分析 KRP 描述电感电流工作状态的一个量 定量计算 KRP 定义 KRP 的意义 只要原边电感电流处于连续状态 都称之为 CCM 模式 而深度 CCM 模式 较小纹波电流 与浅度 CCM 模式 较大纹波电流 相比较 电感量相差好几倍 而浅度 CCM 模式与 BCM DCM 模式的各种性能 特点可能更为相似 显然需要一个合适的参数来描述所 有电感电流的工作状态 通过设置 KRP 值 可以把变压器的电感电流状态与磁性材料 环 路特性等紧密联系起来 我们也可以更加合理的评估产品设计方案 例如 KRP 较大时 特别是 DCM 模式 磁芯损耗一般较大 NP 较小 气隙较小 无气隙要求 仅满足 LP 值 LP 较小 漏感会较大 纹波电流较大 电流有效值较高 KRP 较小时 特别是深度 CCM 模式 磁芯损耗一般较小 NP 较大 气隙较大 有气隙 要求 平衡直流磁通 LP 较大 漏感会较小 纹波电流较小 电流有效值较低 注 KRP 较小时 气隙也是可以做到较小 但这需要更大的磁芯和技巧 KRP 较大时 磁芯损耗也是可以做的较小 但这同样需要更大的磁芯和技巧 这里说一点题外话 大部分人通常认为 相同磁芯 开关频率 DMAX DCM 模式比 CCM 模式下的输出功率更大 其实这是不完全对的 至少不符合实际 因为需要限制 DMAX 导致空载容易异常 原因在于 DCM 模式下磁芯损耗会超出你的想象 电应力也会如此 DCM 模式下 如果想大幅度降低磁芯损耗 唯一的方法是增大 NP 而过大的 NP 会与 LP 形 成现实冲突 DCM 模式下 LP 一般较小 造成磁芯气隙超出你的想象 漏感也会如此 有 没有方法解决这种现实矛盾 答案应该是肯定的 即选择合适的磁芯结构 如长宽比小且 AE 大的磁芯 PQ POT 系列 或许会比长宽比大且 AE 小的磁芯 EER EEL 系列 更加有优 势 补充 在 DCM 模式下 如果限制 DMAX 则会比 CCM 模式下输出更大的功率 KRP 较大时 增大 DMAX 可以在一定程度上降低原边的纹波电流及有效电流值 但是次 级的电流应力会更加恶劣 这种方法 增大 减小 DMAX 只适合平衡初次级的电压 电流应 力 应该不是一种很好的设计手段 KRP 较大时 空载启动困难 特别是低压大电流输出 且空载无跳频 宽范围 AC 输入 时尤其如此 如 3 3V10A 特别是超低压输入 KRP 较小时 开关损耗较大 特别是高压小电流输出 且开关频率较高 窄范围 AC 输 入时尤其如此 如 100V0 5A 特别是超高压输入 注 非低压大电流产品 如 12V5A KRP 较大时 DMAX 不能设计的过小 否则空载也 会启动困难 且空载无跳频 宽范围 AC 输入时尤其如此 超低压输入产品 如 12V 输入 KRP 应该较小 且开关频率也不能过高 否则 LP 过小 漏感过大 无法正常工作 或者效率极低 KRP 较大时 动态响应较快 环路补偿比较容易 特别是采用电流模式控制 KRP 较小时 动态响应较慢 环路补偿相对困难 特别是采用电压模式控制 KRP 较大时 电感电流斜率较急 CS 采样端对噪声影响不明显 KRP 较小时 电感电流斜率较缓 CS 采样端可能会受到噪声影响 注 电流模式芯片通常会比电压模式控制芯片的性能更加优异 但并非所有情况下都 是如此 如果输入电压较高 输出功率较小 电流模式芯片可能无法检测 CS 电压 低压大 电流输出产品在空载时也会出现这种情况 再次强调 宽范围 AC 输入 低压大电流输出 甚至非大电流输出产品 如果 KRP 较大 DMAX 又较小 空载极有可能出问题 或许轻 载降频 提高 VCC 都不一定有效 但是采用某些电压模式控制芯片 可能会避免此问题 低压输入 输出功率很大时 电感电流斜率较缓 CS 采样电压 电阻 互感器 可能很容易 受到干扰 如果负载变化较大 也可能会因此 CS 端采样异常 也不是所有电流模式芯片均 比电压模式芯片优秀 这需要综合考虑各种因素 包括外围电路的复杂程度 超高压输入时 KRP 应该设置较大 最好是 QR 模式 开关损耗会较低 超低压输入时 KRP 应该设置较小 最好是深度 CCM 模式 漏感会较低 KRP 选取法则 电感纹波电流如何设置 主要取决于输入电压范围 输入电压幅度 输出电压幅度 输出电流范围 漏感百分比 气隙 四个量 1 宽范围输入时 尽量选择深度 CCM 模式 注 在所有输入电压范围内 功率器件的电压电流应力会有一个较好的折中 2 输入电压非常低时 如 12 24V 请选择深度 CCM 模式 KRP 0 40 注 此时如何降低漏感摆在第一位 深度 CCM 模式下 自然会获得最小的漏感量 3 输入电压非常高时 如 400VDC 请选择 DCM 模式 或者 QR 模式 注 此时如何降低开关损耗摆在第一位 在 QR 模式下 自然会获得最小开关损耗 4 输出电压非常高时 请选择 DCM 模式 或者 QR 模式 注 此时如何降低开关损耗摆在第一位 在 QR 模式下 自然会获得最小开关损耗 5 输出电流非常大时 尽量选择 CCM 模式 KRP 值视输入电压范围及幅值决定 注 CCM 模式下 峰值电流 纹波电流 有效电流都会相对较小 且尽量避免采用单 个肖特基二极管去处理高有效值电流 也要想办法去避免空载问题 6 小电流输出 尽量采用 DCM QR 模式 注 功率小 效率较高 7 如果要求最小漏感设计 尽量选择 CCM 模式 KRP 尽可能的小 8 采用较小磁芯输出较大功率的前提条件是 较小 DMAX 较高电感纹波电流 有效电 流 空载问题好解决 9 KRP 小于 0 66 时 电感电流峰值 有效值 不再跟随 KRP 值的减小而明显减小 但是 Bdc 及气隙上升非常明显 KRP 小于 0 40 时 电感电流纹波电流将会出现过小而导致 CS 采样困难 且饱和的 10 电感电流上升不明显 10 如果设置 BCM 模式下的 LP 1 其他工作条件不变 则 KRP 1 00 LP 1 KRP 0 66 LP 2 KRP 0 50 LP 3 KRP 0 40 LP 4 KRP 0 33 LP 5 我们可以研究不同 KRP 值下 磁芯的 Bdc Lg 的变化趋势 甚至可以更换不同的磁芯 来满足电气参数设计 KRP DMAX LP 均不会发生改变 如此一来 KRP 电气参数 将会与 磁芯参数形成紧密的联系 方便量化分析 通过不同的电感纹波电流 来让我们知道变换 器到底需要什么样的磁芯设计参数 包括磁芯选型 而不是先来设计变压器参数 然后自 动生成 KRP 等电气参数 简单的理解 就是先设计好电气参数 如初次级的电压 电流应力 评估各种损耗温 升 考虑到 PWM 芯片 MOS 二极管各种的特点 先选好 让反激变换器工作在最佳的工作 状态 根据这个最佳的电气参数 我们来设计变压器参数 如 NP NS 气隙等等 最后通 过更换磁芯或是微调变压器的结构设计 让整个变换器都工作在最合理的状态 如果开头 就进行变压器设计 会导致我们产品优化的余地较小 不得不重新计算或是申请样品 不过 不得不承认 每一个人的学习经历往往很不同 属于自己的最佳设计流程 应 该是自己最熟练 最能理解的哪一种 那是一种积累 一种磨练 千万不要轻易去否定 这里提供的方法只是其中一种 诸多技巧中 如果觉得好就用 不好就不用 KRP 的别名 KRF r 它们之间存在换算关系 建议参考相关资料 如果设置 BCM 模式下的 LP 1 其他工作条件不变 则 磁芯 匝数比不变 否则无法完成对此 NP 的变化不会改变 DMAX 电压 电流应力 NP 主要是影响磁芯参数设计 释疑 1 KRP 从 1 00 下降至 0 66 时 峰值电流的下降非常明显 当 KRP 从 0 66 向 0 33 下 降时 峰值电流的下降幅度非常有限 2 KRP 从 1 00 下降至 0 33 时 纹波电流的下降一直非常明显 与 LP 的变化趋势刚 好相反 I V TON LP 3 KRP 从 1 00 下降至 0 66 时 有效电流的下降非常明显 当 KRP 从 0 66 向 0 33 下 降时 有效电流的下降幅度非常有限 4 KRP 从 1 00 下降至 0 33 时 BDC 急剧增大 气隙的大小与磁性元件的设计有关 由于对比中的 NP 会有所不同 所以气隙 BDC BAC 的变化趋势仅仅是起有限的参考作用 关于 BDC BAC 的变化趋势 二者是由哪些量决定的 分析见 开关电源手册 其中 有详细描述 外加的伏秒值 匝数 磁芯面积决定了交变磁通量 BAC VTon n Np Ae B 直流平均电流值 匝数 磁路长度决定了直流磁场强度 BDC Idc Np Le lg Hdc 加气隙和不加气隙 磁芯饱和磁感应强度是一样的 但加气隙的磁芯能显著减小剩 磁 Br 另外 加气隙可以承受大的多的直流电流 5 KRP 从 1 00 下降至 0 33 时 由于 BDC LP 急剧增大 所以 NP 也会较大 间接导 致导致 BAC 较小 6 KRP 从 1 00 下降至 0 33 时 LP 的变化范围非常有意思 注意是整数倍 这为我 们评估变压器的设计提供了极好的参考依据 我们可以一开始就设计在临界模式 并且将 临界 LP 作为参考数值 需要明白 在保持匝数比 DMAX 不变的情况下 产品中的各种电压 应力不会有任何改变 DMAX 决定了电压应力 也不能够大幅度改变 只适合微调 我们可 以通过研究 KRP LP 变化时 各种电流应力与磁芯参数的变化趋势 最终找出最优设计 7 采用此方法设计变压器时 建议采用 V TON 而不是 I LP 因为 DMAX 决定 TON 几乎是固定量变化不大 而 LP 可以是变化量 由 KRP 决定 变化量非常大 优化分析时也 比较简单 8 需要认真理解 NP 与 LP 不是线性关系 也要完全明白气隙的计算公式 9 进行 KRP 及变压器设计时 需要紧密联系各种参数 电压 电流应力 磁性参数 然后进行系统分析 这是我极力推荐大家采用软件的主要原因 手工计算极易出错 慢 且无法对全局进行优化分析 10 关于 KRP 的相关介绍 可以参考 PI 的相关设计资料 关于 KRF 的相关介绍 可 以参考飞兆的相关设计资料 关于 r 的相关介绍 可以参考 精通开关电源设计 关于 KRP 其他公司也有各种不同的描述 但他们要表达的意思其实都差不多 控制模式 电压型 电流型 ON OFF 开关控制 RCC 电压型控制典型芯片 SG3524 3525 TOP22X 23X 24X 等等 电流型控制典型芯片 TL494 UC3842 3 4 5 NCP1200 NCP1337 等等 ON OFF 开关控制典型芯片 TNY 系列 RCC 变换器 安森美有个系列好像也是的 声明 后续可能