【導讀】本文闡述隔離式降壓轉換器的工作原理，以及應如何選擇變壓器，這是設計隔離式降壓轉換器的關(guān)鍵，并探討在選擇變壓器時(shí)應考慮哪些參數、應采用哪些數學(xué)公式進(jìn)行運算，以及這些參數會(huì )如何影響整個(gè)電路。
本文闡述隔離式降壓轉換器的工作原理，以及應如何選擇變壓器，這是設計隔離式降壓轉換器的關(guān)鍵，并探討在選擇變壓器時(shí)應考慮哪些參數、應采用哪些數學(xué)公式進(jìn)行運算，以及這些參數會(huì )如何影響整個(gè)電路。
隔離式降壓拓撲與通用降壓轉換器拓撲相似，如圖1所示。使用變壓器替換降壓電路中的電感器，就可以得到隔離式降壓轉換器。變壓器的副邊可以獨立接地。
圖1. 隔離式降壓拓撲。
在導通期間，高側開(kāi)關(guān)管(QHS)接通，低側開(kāi)關(guān)管(QLS)斷開(kāi)。變壓器的磁化電感(LPRI)此時(shí)被充電。電流方向如圖2中的箭頭所示。原邊電流隨時(shí)間線(xiàn)性增加。電流的斜率取決于(VIN – VPRI)和 LPRI。在此時(shí)段內，副邊二極管D1反向偏置，電流從輸出電容 (COUT)傳輸至負載。
圖2. 導通時(shí)段等效電路。
在關(guān)斷期間，QHS斷開(kāi)，QLS接通。原邊電感放電。原邊電流從 QLS流向地，D1正向偏置，副邊電流從副邊線(xiàn)圈流向COUT和負載。在此時(shí)段，輸出電容（COUT）被充電。（斷開(kāi)QHS和接通QLS不會(huì )改變電流方向；只會(huì )改變電流坡度。在正電流降至0 A之后，反向電流開(kāi)始增大。）
圖3. 關(guān)斷時(shí)段等效電路。
在設計轉換器時(shí)，應明確指定一些規格參數。它們將決定電路選用哪些器件尤其是選用那個(gè)變壓器。
輸入電壓范圍
輸出電壓
最大占空比
開(kāi)關(guān)頻率
輸出電壓紋波
輸出電流
輸出功率
最大占空比(D)通常介于0.4至0.6之間。最小輸入電壓(VIN_MIN)和最大占空比將決定原邊輸出電壓(VPRI)。原邊輸出電壓(VPRI)和副邊輸出電壓(VOUT)將決定變壓器的匝數比。
輸出電流(IOUT)和輸出功率(POUT)是影響變壓器選擇的重要參數。輸出電流決定銅線(xiàn)的粗細，輸出功率決定應使用哪個(gè)變壓器線(xiàn)軸。線(xiàn)軸的磁導率決定它能存儲多少電能，能輸出多少功率。一般來(lái)說(shuō)，DC輸出電流乘以一個(gè)系數，就能得出電感（變壓器）的紋波電流。占空比和開(kāi)關(guān)頻率可以用來(lái)計算TON時(shí)間，VIN、VPRI和紋波電流可以確定原邊電感。分配的系數不能太大或太小，較大的系數會(huì )導致高紋波電流。高紋波電流可能達到半H橋限流值的，這會(huì )損壞MOSFET。由于存在ESR和ESL，輸出電容將會(huì )承受大紋波電壓。與之相反，當需要極小的紋波電流時(shí)，應使用電感值很高的電感器（變壓器）。如果線(xiàn)圈匝數很多，則需要使用笨重的線(xiàn)軸。大電感會(huì )限制環(huán)路帶寬，降低動(dòng)態(tài)響應系數。
電能僅在TOFF時(shí)間內傳輸至副邊線(xiàn)圈。匝數比可以通過(guò)公式1計算：
其中，VD表示副邊二極管正向偏置電壓。VPRI的最大占空比一般介于0.4至0.6之間。VPRI可以采用公式2計算：
其中，D為最大占空比，VIN_MIN為最小輸入電壓。使用公式2可計算出匝數比。在非隔離降壓轉換器中，電感兩側的紋波電流相同。利用公式3可輕松計算出所需的電感。
其中f為開(kāi)關(guān)頻率，ΔI為紋波電流。如前所述，我們設定紋波電流= DC輸出電流 x 系數。
其中K為系數。但是，隔離式降壓轉換器拓撲中只有變壓器，沒(méi)有電感。如果其中的組件是變壓器而非電感時(shí)，該怎么辦？我們知道，電流比等于匝數比的倒數：
IPRITOFF是關(guān)斷期間副邊電流，它在關(guān)斷期間會(huì )激勵原邊產(chǎn)生電流。應添加變壓器雙線(xiàn)圈電流，將其作為等效電感電流。
其中，ILeq表示等效電感電流。如果變壓器還有三個(gè)繞組，那么
是這樣嗎？我們來(lái)看看基于MAX17682得出的仿真結果。圖4顯示 MAX17682電路，采用EE-Sim? OASIS繪制，由SIMetrix/SIMPLIS提供。變壓器兩側裝有電流檢測探頭，分別為IPRI和ISEC1。
圖4. MAX17682典型電路，采用EE-Sim OASIS繪制，由SIMetrix/SIMPLIS供電。
圖5. MAX17682典型電路的仿真電流波形。
圖5顯示兩個(gè)探頭的瞬態(tài)仿真結果。這兩個(gè)電流波形是根據公式6得出并添加的。
添加的電流結果（紅色）為三角波，其表現就像是非隔離降壓轉換器中的電感。因此，可以使用以下公式輕松計算出變壓器的原邊ΔI：
通常，采用0.2倍DC輸出電流作為負載紋波電流。所以，K等于0.2 乘NSEC/NPRI。同時(shí)，原邊峰值電流應低于開(kāi)關(guān)限流值，其中IPK的計算公式如下：
變壓器的原邊電感可以使用以下公式計算得出：
根據匝數比、原邊電感、輸出功率、輸出電流和隔離電壓，可以決定應使用哪個(gè)電感。
下面介紹如何更好地理解和使用MAX17682數據手冊中所示的公式（參見(jiàn)圖6）。
圖6. MAX17682數據手冊的屏幕截圖。
如前所述，可以將公式10改寫(xiě)為公式11，以得出關(guān)斷期間的等效公式。
假設D為0.6，只有當ΔI為0.4 A，多項式(1 – D)和ΔI才會(huì )抵消。公式 11和圖6所示的公式相同。數據手冊中的公式已選擇原邊紋波電流。如果指定D為0.6，那么原邊紋波電流為0.4 A。在數量上，TOFF占空比等于原邊紋波電流。
根據圖6所示的簡(jiǎn)化公式，指定原邊紋波電流等于TOFF占空比時(shí)，可以更快完成設計。如果想更改原邊紋波電流或使用其他參數，可以按照本教程說(shuō)明進(jìn)行操作。
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