[摘要]： 隨著集成化的發(fā)展，開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度相對(duì)減弱，高頻變壓器的設(shè)計(jì)就上升到較重要地位了。本文在簡(jiǎn)介了VIPer22A器件及其制作的開關(guān)電源工作原理之后，結(jié)合實(shí)例著重說明了變換器中高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)步驟和調(diào)試方法。 [關(guān)鍵詞]：功率變換器 電感儲(chǔ)能式變換器 磁感應(yīng)強(qiáng)度 1、引言 近兩年來，單片式開關(guān)電源功率變換器VIPer22A因其封裝小巧、外圍電路簡(jiǎn)練、工作穩(wěn)定可靠程度高等因素，應(yīng)用一天天多了起來。VIPer22A芯片內(nèi)部采用電流控制型PWM調(diào)制器，適用于電池充電器、電源適配器、電視機(jī)或監(jiān)控器的待機(jī)電源，尤其適用于各種控制電路的輔助電源。進(jìn)一步分析下來，覺得其外圍電路易于掌握，但對(duì)其電源變壓器各項(xiàng)參數(shù)，卻往往疏于深入了解。這里就著重闡述一下單片式開關(guān)電源變換器VIPer22A的高頻變壓器的設(shè)計(jì)、調(diào)試程序及其具體方法，也許不是沒有裨益的。 2、VIPer22A功能概述 2.1、VIPer22A器件的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖 功能概述 VIPer22A型單片式開關(guān)電源功率變換器，內(nèi)部高壓功率MOSFET漏-源極的擊穿電壓可達(dá)730V以上；極限電流在0.56～0.84A之間（典型值為0.7A），通態(tài)電阻15Ω；輸入電壓在由85～265VAC范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，可輸出12W的功率；具有過流、過壓和過熱等帶遲滯特性的保護(hù)功能，因此其工作穩(wěn)定可靠性能極好。只要變壓器設(shè)計(jì)無誤，幾乎無需調(diào)試，連通電路就能正常投入運(yùn)行。 其封裝形式為DIP-8封裝。FB為輸出電壓反饋端，其電壓范圍在0～1V之間。UDD為控制電路的電源端，上電瞬間由來自高壓電流源的電流向UDD端——包括外圍電容充電，當(dāng)UDD端電壓達(dá)到14.5V時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷高壓電流源；當(dāng)UDD低至8V時(shí)又自動(dòng)開啟高壓電流源。功率MOSFET開始工作以后，改由電源變壓器的輔助繞組繼續(xù)供電，確保器件始終處于正常運(yùn)行狀態(tài)。 3、整體電路工作原理 應(yīng)用單片開關(guān)電源變換器VIPer22A制作的的12V開關(guān)電源，其電原理圖如圖二所示。 啟動(dòng)過程 接通電源瞬間，VIPer22A變換器內(nèi)的高壓電流源投入運(yùn)行，并自動(dòng)啟動(dòng)電源，當(dāng)UDD電壓達(dá)到開啟電壓值UDD（ON）＝14.5V（典型值）時(shí)，高壓電流源被關(guān)斷，功率MOSFET投入工作，輔助繞組在高壓電流源關(guān)斷后即開始為芯片供電，至此，VIPer22A變換器完成啟動(dòng)程序。變壓器T的初級(jí)繞組中將有電流流過，該電流在變壓器磁芯中產(chǎn)生磁通，磁通的出現(xiàn)在各繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其方向如同名端符號(hào)所示。其次級(jí)的感應(yīng)電勢(shì)也為VIPer22A提供了電源電壓VDD，瞬間就使變換器投入正常運(yùn)行。各繞組同名端表明，在功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，整流管VD7呈反向偏置狀態(tài)；功率MOSFET截止時(shí)，VD7導(dǎo)通——故稱單端反激式變換器，也稱電感儲(chǔ)能式變換器——向電容C9和C10充電，由于工作頻率高達(dá)60KHz，即使電容量不大，也可以滿足負(fù)載對(duì)紋波電壓的要求。平波電感L的數(shù)值在幾十微亨即可滿足對(duì)紋波電壓的要求，有些場(chǎng)合甚至可以不要，加大濾波電容的容量即可。 3.2、自動(dòng)調(diào)節(jié)過程 當(dāng)外電壓波動(dòng)時(shí)，反饋到集成可調(diào)基準(zhǔn)穩(wěn)壓器N3輸入端1腳的電壓相應(yīng)變化引起其輸出端3腳電壓反向（與N3的1腳電壓變化方向相反，下同）的變化，再通過光耦N2使集成電源變換器N1的控制端3腳FB電壓反向變化，從而N1內(nèi)的功率MOSFET的柵極脈寬反向變化，最終引起輸出端電壓反向變化，而使輸出電壓最大限度地恢復(fù)到外電壓波動(dòng)前的數(shù)值上。 當(dāng)輸出端的負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓也會(huì)相應(yīng)變化，同樣要引起N3輸入端電壓的變化，N3輸出端的變化通過光耦N2使N1的FB電壓變化，從而N1內(nèi)的功率MOSFET的柵極脈寬反向變化，最終引起輸出端電壓反向變化而保持其輸出電壓的盡量穩(wěn)定。通常穩(wěn)壓器的源電壓調(diào)整率優(yōu)于負(fù)載調(diào)整率，對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器尤其是這樣。應(yīng)用VIPer22A器件制作的穩(wěn)壓器，其負(fù)載調(diào)整率低于源電壓調(diào)整率，所以一般都將該器件應(yīng)用于輸出電流固定或變化不大的場(chǎng)合下。 4、高頻電源變壓器的估算 凡學(xué)過電子線路的，對(duì)開關(guān)電源也不會(huì)陌生，甚至還會(huì)覺得很簡(jiǎn)單；一旦制作出來，卻又覺得不甚滿意。查找原因，往往是高頻電源變壓器參數(shù)沒選好。下面結(jié)合一個(gè)單端反激式變換器實(shí)例介紹該變壓器T的估算方法。 4.1、磁芯的估算 采用單片開關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換器VIPer22A，給定輸出功率為8W，效率為0.8，輸入功率為10W；磁心材料為Mn—Zn功率鐵氧體R2K5D。參照《新型開關(guān)電源及應(yīng)用》一書，將實(shí)選數(shù)值代入 的求值公式得： 選EI25型磁芯，得磁芯截面積Sc約等于0.43Cm2，窗口截面積So約為0.78Cm2，0.43×0.78＝0.34 Cm4＞＞0.07Cm4，所以磁芯滿足要求。一方面，磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)選得太大，選得太大磁芯將進(jìn)入于飽和區(qū)，開關(guān)電源無法正常工作，甚至毀壞元器件。另一方面，磁感應(yīng)強(qiáng)度也不應(yīng)取得太保守，取保守值勢(shì)必增加圈數(shù)，并增大氣隙，也就是增大了漏感，增大了尖峰電壓；尖峰電壓過大，也就增加了噪聲電壓，最重要的是降低了工作可靠性和使用壽命，集成電路VIPer22A容易損壞。之所以選用較大磁芯，完全是出于試制方便上的考慮的。試制以后，完全可以選用小些的磁芯，如EI22等。 4.2、匝數(shù)的估算 次級(jí)繞組匝數(shù) AC220V整流濾波后按300V計(jì)算。參照《新型開關(guān)電源及應(yīng)用》一書上的公式得： NP＝240.6T，取240T， 為初級(jí)繞組數(shù)。 導(dǎo)線取0.17mm漆包線。 初級(jí)匝數(shù)大體上的核算 參照《新型開關(guān)電源及應(yīng)用》一書上的公式得： H＝348A／m 已知R2K3D鐵氧體的H值為1194A／m，遠(yuǎn)大于計(jì)算值348A／m，故認(rèn)為滿足要求。 次級(jí)繞組匝數(shù) 式中： ————-變壓器次級(jí)輸出電壓，考慮到各種壓降，應(yīng)為1.5倍的額定直流輸出電壓，即1.5×12＝18V； ————-變壓器初級(jí)考慮到可能輸入的最低電壓，取127V。 代入（3）式，得 N＝34T。 導(dǎo)線取0.47漆包線。 反饋繞組提供8～40V的VDD電壓，由于提供電流很小，可取 導(dǎo)線選0.11漆包線。 取 ＝240T，電感量為8.6mH（磁芯間墊入三層打印紙）， ＝ ＝34T。當(dāng)輸出DC16.1V0.32A時(shí)，脈寬為5μS／17μS／58.4KHz，反向電壓峰值44V；反饋電壓DC18.5V。當(dāng)輸出DC12V時(shí)，脈寬為4μS，反向電壓峰值44V，反饋電壓DC12.3V。該組數(shù)據(jù)的電壓波形上無尖峰電壓，前后沿也很陡峭，值得采用。若反饋電壓低于10V，可將NF的匝數(shù)適當(dāng)增加。 4.3、線徑的估算 10W以下的小型高頻變壓器，尤其是在風(fēng)冷條件下，散熱良好，其繞組導(dǎo)線截面積可按流過電流的有效值（3～4）A／mm2來選即可；當(dāng)然，若是窗口面積允許，按（2～3）A／mm2更好。當(dāng)線徑小于1mm時(shí)，可不考慮或忽略高頻電流集膚效應(yīng)的影響；否則，可采用幾根細(xì)線并為一股并繞。電流有效值與最大值有如下關(guān)系 4.4、電感量的測(cè)量與調(diào)整 盡管開關(guān)電源也屬電子線路范疇，通常的測(cè)試儀器儀表就能滿足需求，但高頻變壓器初級(jí)繞組電感量必須備有精度較好的電感表來檢測(cè)，不能以匝數(shù)相同磁芯牌號(hào)一樣而免檢。 一般來說，高頻變壓器磁芯間總要墊入幾片紙以確保留有一定的磁隙的。這樣做的目的有三： 1. 避免磁芯磁感強(qiáng)度進(jìn)入飽和區(qū)，確保工作穩(wěn)定可靠性能； 2.調(diào)整電感量，滿足輸出功率的要求； 3.在滿足輸出功率的情況下降低電感量，削減尖峰電壓，增加安全可靠度。所以該工序不能省略。 5、結(jié)論 盡管單片開關(guān)電源功率變換器VIPer22A的各項(xiàng)參數(shù)的極限值相當(dāng)可觀，但正如眾所周知的那樣，從安全穩(wěn)定的可靠性設(shè)計(jì)方面考慮，在實(shí)際應(yīng)用中，其電壓、電流、功率等極限參數(shù)還應(yīng)降額使用——當(dāng)乘以0.5的保險(xiǎn)系數(shù)。所謂極限值，當(dāng)是不連續(xù)重復(fù)的最大值，是瞬時(shí)的，不可當(dāng)做穩(wěn)定狀態(tài)來持續(xù)運(yùn)行。只有這樣，按規(guī)定設(shè)計(jì)程序和制作工序完成的開關(guān)電源才能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。