反激变换器(Flyback)的设计和计算步骤

反激变换器(Flyback)的设计和计算步骤

齐纳管吸收漏感能量的反激变换器：

0. 设计前需要确定的参数

A 开关管Q的耐压值：Vmq

B 输入电压范围：Vinmin ～Vinmax

C 输出电压Vo

D 电源额定输出功率：Po（或负载电流Io）

E 电源效率：X

F 电流/磁通密度纹波率：r（取0.5，见注释C）

G 工作频率：f

H 最大输出电压纹波：V opp

1. 齐纳管DZ的稳压值Vz

Vz <= Vmq × 95% - Vinmax，开关管Q承受的电压是Vin + Vz，在Vinmax处还应为Vmq 保留5%裕量，因此有Vinmax + Vz < Vmq × 95% 。

2. 一次侧等效输出电压Vor

V or = Vz / 1.4（见注释A）

3. 匝比n（Np/Ns）

n = Vor / (Vo + Vd)，其中Vd是输出二极管D的正向压降，一般取0.5～1V 。

4. 最大占空比的理论值Dmax

Dmax = V or / (Vor + Vinmin)，此值是转换器效率为100%时的理论值，用于粗略估计占空比是否合适，后面用更精确的算法计算。

一般控制器的占空比限制Dlim的典型值为70%。

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上面是先试着确定Vz，也可以先试着确定n，原则是n = Vin / Vo，Vin可以取希望的工作输入电压，然后计算出Vor，Vz，Dmax等，总之这是计算的“起步”过程，根据后面计算考虑实际情况对n进行调整，反复计算，可以得到比较合理的选择。

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5. 负载电流Io

Io = Po / Vo，如果有多个二次绕组，可以用单一输出等效。

6. 一次侧有效负载电流Ior

Ior = Io / n ，由Ior × Np = Io × Ns得来。

7. 占空比D

D = Iin / (Iin + Ior)，其中Iin = Pin / Vin，而Pin = Po / X。这里Vin取Vinmin。（见注释B）

8. 二次电流斜坡中心值Il

Il = Io / (1 - D)

9. 一次电流斜坡中心值Ilr

Ilr = Il / n

10. 峰值开关电流Ipk

Ipk = (1 + 0.5 × r) × Ilr

11. 伏秒数Et

Et = Vinmin × D / f ，（Et = V on × Ton = Vinmin × D/f）

12. 一次电感Lp

Lp = Et / (Ilr × r)

13. 磁芯选择

（1）Ve = 0.7 × (((2 + r)^2) / r) × (Pin / f)，Ve单位cm^3；f单位KHz，根据此式确定磁芯有效体积Ve，寻找符合此要求的磁芯。（见注释D）

（2）最适合反激变压器的磁芯是“E Cores”和“U Cores”，“ETD"、”ER"、“RM"这三种用于反激性能一般，而“Planar E”、“EFD"、”EP"、“P"、”Ring"型不适合反激变压器。

（3）材质选锰锌铁氧体，PC40比较常用且经济。

14. 一次匝数Np

Np = (1 + 2/r) × (V on × D)/(2 × Bpk × Ae × f)，其中V on = Vinmin - Vq，Vq是开关管Q的导通压降；Bpk不能超过0.3T，一般反激变压器取0.3T；Ae是磁芯的有效截面积，从所选磁芯的参数中查的。（公式推导见注释E，说明见注释F）

15. 二次匝数Ns

Ns = Np / n，此值小数不可忽略时向上取整，如1.62T取2T，然后重新计算Np = Ns × n 。

16. 匝数调整后实际磁通密度变化范围验证

Bpk = Bpk0 × Np0 / Np，Bpk0、Np0是调整前的磁通密度峰值和一次匝数。（根据：Bpk与匝数成反比）

dB = (2r/(r + 2)) × Bpk

17. 气隙系数z

z = (1 / Lp) × (u × u0 × Ae / le) × Np^2，其中u是磁芯材料的相对磁导率，Ae、le分别是磁芯的有效截面积和有效长度，这些参数由磁芯手册提供，u0是真空磁导率，值为 4 ×PI ×10^(-7) 。（见注释G）

18. 气隙长度lg

lg = le × (z - 1) / u，其中u是磁芯材料的相对磁导率。（见注释G）

19. 绕组导线的集肤深度h

h = 66.1 × (1 + 0.0042 × (T - 20)) / f^0.5，所得单位为mm，其中T是工作温度，可取80，即最高环境温度40摄氏度时可以有40度的温升。

20. 绕组导线的线径d

d = 2h，若选用铜皮，则铜皮厚度同样按此计算，即2h 。

21. 绕组导线的电流承载能力Im

Im = PI × (d/2)^2 × J，其中J是电流密度，反激变压器一般取典型值493 A/cm^2（400 cmil/A）。

22. 一次绕组导线的股数Mp

Mp = Ilr / Im

23. 二次绕组导线的股数Ms

Ms = Il / Im

24. 确定变压器组装结构

根据上面计算的变压器各项参数，合理安排绕组排列、绝缘安排等，绕组安排（从磁芯由近及远）可参考如下：

（1）一般排列是，一次，二次，反馈。

（2）二次，反馈，一次，这种排法有利于一次绕组对磁芯的绝缘安排。

（3）一半一次，二次/反馈，一半一次，这种排法有利于减少漏感。

25. 输出二极管的额定电流Idm

Idm = 2 × Io（见注释H）

26. 输出二极管的额定电压Vdm

Vdm = (1 + 20%) × (Vo + Vinmax / n) （见注释I）