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1、高頻FLYBACK變壓器(偶合電感器)最佳之設計莊榮源飛瑞股份有限公司一.前言:由於市場日益競爭,如何將產品的價格降低,體積縮小,品質提高變成現今大家所共同努力的目標.而在SwitchPowerSupply的領域裡,變壓器是非常重要的一部份,而Flyback變壓器更在其中佔了舉足輕重的地位.如何將變壓器最佳化,就顯得額外的重要.我們可以從很多SPS書籍中獲得Flyback變壓器的設計方法,雖然不盡相同,卻是大同小異.就一個設計者的角度來說,設計一個Flyback變壓器並不難,只要將設計的參數訂定,依照書上所
2、寫的設計步驟,一個變壓器就誕生了,在這變壓器誕生的同時,你難道不會懷疑,這變壓器是否為最佳的變壓器呢?因為在這設計的參數裡還隱藏了不確定的因數.例如Flyback變壓器初級測電感值參數的訂定,你如何能確定你剛開始設計所選定的感值對這顆變壓器是最佳感值呢?本文將針對設計參數做進一步的探討,以達到變壓器的最佳化.二.變壓器設計:在實際設計變壓器時,有兩個原則是必須注意到的:(1)溫升:這是設計變壓器最主要的項目和目的,安規裡有規定變壓器的最高溫升,變壓器的溫升需在安規的限制範圍內.例如:classA的絕對溫度不
3、能超過90°C;classB不能超過110°C等等,這都是我們設計必須遵循的準則.(2)經濟:想在這市場上與人競爭,經濟考量是不可或缺的,尤其是變壓器往往是機器COST中的主要部分之一,所以如何將變壓器的價格,體積,品質掌握到最佳,就是我們所努力的方向.1.設計步驟:要將變壓器最佳化,需將不同的參數重複代入計算,如果利用Excel的方程式或利用程式語言將公式寫下來,這樣將變得很簡單,只要改變參數就可得到結果.(1).參數的訂定:在設計變壓器之前,需先預定一些參數,很多書籍上這些參數都不同,不同的設計參數,設
4、計流程亦不同,現在針對Flyback變壓器最常用的設計參數:輸入電壓:Vin,輸入的頻率:fs,最大Dutycycle:Dmax,初級與次級圈數比:N,初級電感值:Lp,輸出電壓:Vo,輸出最大:Wo.線圈的電流密度:J,最大磁通密度:Bmax,最大繞線因數:Kw(2)由這些設計參數算出:◆Dutyon(初級測導通的比例)◆Dutyoff(次級測導通的比例)◆初級交流電流值(ΔIpp)◆初級電流Peak值(Ip(peak))◆初級電流RMS值(Irms)◆初級線圈的線徑(Φp)◆次級電流Peak值(Ip(p
5、eak))◆次級電流RMS值(Irms)◆初級線圈的線徑(Φs)◆有效磁路面積與鐵心可繞面積的乘積(Ac*Aw)在由Aw*Ac選擇適當的鐵心.設計參數裡有些是定死的,例如:Vin,fs(IC操作頻率),Dmax(ICmaxdutycycle),Vo,Wo.有些是依經驗所定的,例如:電流密度:J(classA自然散熱<500A/,classB<700A/);最大磁通密度Bmax(100°C飽和磁通密度的80%);最大繞線因數Kw(若將漆包線的絕緣厚度算入與減掉安規間距,EE與EIcore<0.4).有些是可變
6、的,也是最不確定設計參數,例如:初級與次級圈數比N,初級電感值Lp;N的決定條件為:即使再最低壓時,亦能提供穩定的輸出電壓和能量.因N直接影響到Dutycycle的大小,N愈大,Dutyon愈大,Ip(rms)愈小,銅損愈小,Aw*Ac愈小所以IC的Dutymax就是選定N的限制,可以從下式訂定N值..至於感值Lp的選定直接影響core的大小和操作的模式(CCMorDCM),也是我們所要探討的目標.1.設計理論:在剛開始不知道系統操作於何種模式下時,分別對CCM與DCM不同操作模式下做理論推導.(1)操作於
7、CCM模式時由將初級與次級圈數比代入à;……(I)由,將代入à……(II)若不考慮效率問題,則將(II)代入à……(III);……(Ⅳ)由磁通連續定則àà……(Ⅴ);……(VI)……(Ⅶ)……(Ⅷ)由:初級導線面積;:次級導線面積若不將安規間距與漆包線的絕緣厚度考慮進去,則……(Ⅸ)由(gauss)à(cm)乘以IXà……(X)若將安規間距與漆包線的絕緣厚度考慮進去(如此的做法比較不會因考慮集膚效應採用多股線而產生誤差)在不考慮溫度效應下,集膚深度(cm)選擇半徑小於集膚深度的線徑.則:初級導線總面積;:次
8、級導線總面積:安規間距(margintape)所佔的面積à(2)操作於DCM模式下à……(i)由,將代入à……(ii)由法拉第定律àà……(iii)……(iv)à……(v)……(vi)之後則同CCM……(vii)將以上公式用Excel的方程式或利用程式語言將公式寫下來,將設計參數代入後,用DCM算出其Dutyon與Dutyoff,若,則操作於DCM,則操作於Boundary,則操作於CCM以此作為分隔CCM與DC
