跟着步骤一起来学Fly-Back反激电源设计

一路上

前言

在开关电源的设计中，有一种设计方案叫Flyback反激式电源；大多用于小功率的电源场景，具有成本低、调试简单等优点。

“反激”指的是在开关管接通的情况下，当输入为高电平时输出线路中串联的电感为放电状态；相反，在开关管断开的情况下，当输入为高电平时输出线路中的串联的电感为充电状态。

想要学习Flyback反激式电源设计同学，跟着步骤来一步步设计开关电源。

骤1 确定开关电源的基本参数

①交流输入电压最小值umin
②交流输入电压最大值umax
③电网频率Fl  开关频率f
④输出电压VO（V）：已知
⑤输出功率PO（W）：已知
⑥电源效率η：一般取80％
⑦损耗分配系数Z：Z表示次级损耗与总损耗的比值，Z=0表示全部损耗发生在初级，Z=1表示发生在次级。一般取Z=0.5

步骤2 根据输出要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB

步骤3 根据u，PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin

①令整流桥的响应时间tc=3ms
②根据u，查处CIN值
③得到Vimin

步骤4 根据u，确定VOR、VB

①根据u由表查出VOR、VB值
②由VB值来选择TVS

步骤5 根据Vimin和VOR来确定最大占空比Dmax

① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON)
② 应在u=umin时确定Dmax值，Dmax随u升高而减小

步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP，KRP=IR/IP

步骤7 确定初级波形的参数

① 输入电流的平均值IAVG

② 初级峰值电流IP

③ 初级脉动电流IR
④ 初级有效值电流IRMS

步骤8 根据电子数据表和所需IP值 选择TOP Switch芯片

考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10％，所选芯片的极限电流最小值ILIMIT(min)应满足：0.9 ILIMIT(min)≥IP

步骤9和10 计算芯片结温Tj

① 按下式结算：

式中CXT是漏极电路结点的等效电容，即高频变压器初级绕组分布电容

② 如果Tj＞100℃，应选功率较大的芯片

步骤11 验算IP  IP=0.9ILIMIT(min)

①输入新的KRP且从最小值开始迭代，直到KRP=1
②检查IP值是否符合要求
③迭代KRP=1或IP=0.9ILIMIT(min)

步骤12 计算高频变压器初级电感量LP，LP单位为μH

步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架，查出以下参数：

①磁芯有效横截面积Sj（cm2），即有效磁通面积。
②磁芯的有效磁路长度l（cm）
③磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2)
④骨架宽带b（mm）

步骤14 为初级层数d和次级绕组匝数Ns赋值

①开始时取d＝2（在整个迭代中使1≤d≤2）
②取Ns=1(100V/115V交流输入)，或Ns=0.6(220V或宽范围交流输入)
③Ns=0.6×(VO+VF1)
④在使用公式计算时可能需要迭代

步骤15 计算初级绕组匝数Np和反馈绕组匝数NF

①设定输出整流管正向压降VF1
②设定反馈电路整流管正向压降VF2
③计算NP

④计算NF

步骤16~步骤22 设定最大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ，进行迭代。

①设置安全边距M，在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm，在110V/115V交流输入时M=1.5mm。使用三重绝缘线时M=0

②最大磁通密度BM=0.2～0.3T

若BM＞0.3T，需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP，使BM在0.2~0.3T范围之内。如BM＜0.2T，就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值。

③磁芯气隙宽度δ≥0.051mm

要求δ≥0.051mm，若小于此值，需增大磁芯尺寸或增加NP值。

④初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2
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若J＞10A/mm2，应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架，使J＜10A/mm2。若J＜4A/mm2，宜选较细的导线和较小的磁芯骨架，使J＞4A/mm2；也可适当增加NP的匝数。

⑤确定初级绕组最小直径（裸线）DPm(mm)
⑥确定初级绕组最大外径（带绝缘层）DPM(mm)
⑦ 根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带be（mm）

然后计算初级导线外径（带绝缘层）DPM：DPM＝be/NP

步骤23 确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm

①次级峰值电流ISP(A)

② 次级有效值电流ISRMS(A)

③ 输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)

⑤次级导线最小直径（裸线）DSm(mm)

⑥次级导线最大外径（带绝缘层）DSM(mm)

步骤24 确定V(BR)S、V(BR)FB

①次级整流管最大反向峰值电压V(BR)S

②反馈级整流管最大反向峰值电压V(BR)FB

步骤25 选择钳位二极管和阻塞二极管

步骤26 选择输出整流管

步骤27 利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT

①滤波电容COUT在105℃、100KHZ时的纹波电流应≥IRI
②要选择等效串连电阻r0很低的电解电容
③为减少大电流输出时的纹波电流IRI，可将几只滤波电容并联使用，以降低电容的r0值和等效电感L0
④COUT的容量与最大输出电流IOM有关

步骤28～29 当输出端的纹波电压超过规定值时，应再增加一级LC滤波器

①滤波电感L=2.2~4.7μH。当IOM＜1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠；大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈。
②为减小L上的压降，宜选较大的滤波电感或增大线径。通常L=3.3μH
③滤波电容C取120μF /35V，要求r0很小

步骤30 选择反馈电路中的整流管

步骤31 选择反馈滤波电容

反馈滤波电容应取0.1μF /50V陶瓷电容器

步骤32 选择控制端电容及串连电阻

控制端电容一般取47μF /10V，采用普通电解电容即可。与之相串连的电阻可选6.2Ω、1/4W，在不连续模式下可省掉此电阻。

步骤33 选定反馈电路

步骤34 选择输入整流桥

① 整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2  umax
③设输入有效值电流为IRMS，整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS。计算IRMS公式如下：

cosθ为开关电源功率因数，一般为0.5～0.7，可取cosθ＝0.5

步骤35 设计完毕

在所有的相关参数中，只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内。它们是最大磁通密度BM（要求BM=0.2T~0.3T）、磁芯的气隙宽度δ（要求δ≥0.051mm）、初级电流密度J（规定J=4～10A/mm2）。这3个参数在设计的每一步都要检查，确保其在允许的范围之内。