Flyback 变压器设计：核心与线圈架

在这篇文章中，我将讲解用于确定我之前定制反激变换器项目中所需的变压器设计参数的设计过程。在这个设计项目中，我设计了一个反激变换器，它接受交流输入，将其整流为直流，并将其降压至3.3V输出。该转换器基于德州仪器UCC28881。像许多隔离式开关转换器一样，这个设计需要一个定制的变压器。

德州仪器的WEBench工具为这个设计提供了设计指导和一个核心/线圈架推荐。在这个设计过程中，我将使用他们的核心和线圈架推荐来完成变压器设计。我还将计算设计的变压器的物理参数。

开始定制变压器设计

在一个隔离式开关转换器中，我认为确定所需变压器参数的最佳策略是从次级（输出）侧开始，然后逐步过渡到主级侧，以及任何第三级线圈。我们将从以下过程开始：

• 根据PWM频率和占空比验证主感应量
• 使用感应量和电压来确定匝数比
• 根据核心的材料属性确定所需的匝数
• 根据所需的线规和窗口面积，验证线圈架尺寸是否合适

在这个过程中需要注意的一个重要点是，有些参数是由你来确定的。例如，你可以根据你的开关器的能力选择开关频率和目标最小/最大PWM占空比。你的感应量可能需要调整以适应这些参数的所需变化。

接下来，基于平均电流和平均功率传递，可能会对线圈架中可以使用的线规大小有所限制。更高的平均电流将要求更大的线规，以防止变压器过热。因此，如果你希望你的变压器以更高的平均电流传递更多的功率，那么你将需要一个物理上更大的变压器。

考虑到这一点，让我们来看看感应量。

主线圈和次线圈（间断模式）

首先，我们可以如下计算主线圈和次线圈的感应量：

L(s)方程表示间断电流模式操作；改变不等式的方向，你将得到连续模式操作。V(diode)是次级侧整流二极管的正向电压。

在这个方程中，我们想要确定次级电感的限制，这将允许开关器连续调节输出电压。在电压模式控制中，开关器将调整占空比，因此你需要使用最大占空比和频率来确定电感的上限。最大电流输出和次级电压是标称值。

变比和实际占空比

接下来，我们需要确定变换器所需运行的变比和实际占空比。只要实际占空比小于开关器的最大占空比，那么次级侧的电感就不会过大以至于无法维持调节，设计应该是可行的。

这个方程给出了变比和占空比之间的关系。记住，开关器可以在其最大占空比的任何值上运行，控制环将根据输出电压的测量调整PWM占空比。当你知道了占空比，将其代入这个方程以得到所需的变比。

接下来，了解主侧的峰值电流很有用，因为这是将通过开关器流动的峰值电流。这很重要，因为一些开关器可能具有过电流保护，包括UCC28881。现在我们需要使用峰值电流规格、目标占空比和变比值来检查峰值电流。对于UCC28881，关机前的峰值主电流限制如下所示（连续440 mA，脉冲770 mA）。

在下一节中，我将使用最大脉冲电流限制并进行一些降额来检查设计是否能满足我的规格。

检查数学计算

这里，我的意图是设计转换器及其变压器，使得50%的最大占空比对应于允许的峰值电流的一半，这将给我足够的降额。现在我们有了这些方程，我们可以插入一些数字并确定变比。

• 输入值:
  • 最大 V(In) = 240 V AC RMS
  • f = 62 kHz, D(max) = 0.5（基于数据表平均值）
  • D(目标) = 0.3（设计选择）
  • I(pk, 主) = 0.385 A, I(平均, 主) = 0.116 A
  • 肖特基整流二极管正向电压：V(二极管) = 0.5 V
  • V(输出) = 3.3 V
• 输出值
  • 基于 D(目标)，Np/Ns = 19.17
  • I(pk, 次) = 8.45 A, I(平均, 次) = 2.54 A
  • L(s,max) = 3.02 uH

基于这些数字，设计是可行的，只要我们能达到目标线圈电感，转换器应该没有问题提供我们的目标输出电流。现在我们需要查看核心和线圈架，以确保可以达到目标电感。

现成的核心和线圈架

现在我们知道了电感目标和匝数比，我们可以开始选择核心和线圈架来构建变压器。正如我上面提到的，更高的输出电流将限制你可以用来绕线圈的导线，所以这肯定是选择核心和线圈架时的一个考虑因素。

此时，你可以自由地在线查找核心和线圈架套件，以帮助你达到你的电感目标。德州仪器推荐的线圈架、核心和轭是：

• 线圈架（数量 1）：B66418W1008D001
• 带气隙的E型核心部分（数量 2）：B66417U0250K187 或不带气隙的E型核心部分（数量 2）：B66417G0000X149 带2层绕组
• 轭（数量 2）：B66418B2000X000

在核心数据表中，你会看到一个称为电感因数的规格。电感因数本质上告诉你围绕核心的每匝线圈的电感，假设你使用推荐的线圈架。基于上面列出的匝数比和当前要求，我们可以使用AWG 26导线绕次级线圈3圈，和AWG 30导线绕主级线圈57圈（分2层绕组）。这给出：

• L(s) = 2.25 uH
• L(p) = 812.25 uH

这些值比TI通过WEBench推荐的值略低，但它们在变压器的典型绕组电感容差值范围内，所以我将它们标记为间断模式设计的有效值。如果你想改变操作模式为连续模式，你只需要在次级侧增加2个绕组。这也会减少次级侧的磁通密度。

额外验证

一个验证步骤是确定你选择的导线规格是否会使线圈架过满。使用你的导线的护套直径，计算线圈所跨越的总距离。如果这个数字超过了你的线圈架的长度，那么你需要使用更大的线圈架或更小的导线直径。后者可能需要你降低二次侧允许的电流，以保持温度下降。

最后的验证将是将磁通密度与你的磁芯材料中的饱和磁通进行比较。这是磁芯材料提供商的支持非常重要的地方，因为这些值并不总是在数据表中说明。在饱和点，效率开始大幅下降，所以你需要确保你的磁通密度低于饱和密度。这就是为什么我们实际上希望线圈中的匝数多而不是少的原因之一。我们也可能想使用具有较小介电常数的磁芯材料，因为这也会降低磁通密度。

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