回转变压器的功能和应用设计

回转变压器的功能和应用设计
低成本、设计简单且效率高的回转变压器已成为100W至150W电源设计的常用解决方案。与采用相似拓扑的电路相比，回转变压器的其它优点包括主副分离，以及能够提供多路输出和选择正负电压电路作为输出。
本文讨论了回转变压器中所用的回转或侧边阻塞型变压器的参数。后一种变压器已应用多年，其拓扑在变压器分离的整流器家族中具有独特性。

回转变压器功能

当开关打开时，能量储存在主电路中(磁芯材料内)。如图1所示，变压器和二极管上极点的排列使开关打开时没有能量传输给负荷电路。当关闭开关时，变压器线圈的极性由于采用扁平磁场而被保留，输出整流器导线和磁芯材料储存的能量被传输给负荷电路。此活动将持续进行，直到磁芯中的能量耗尽，或者电源开关再次打开。

回转稳压器可以运行在间断或连续模式下。在间断模式下(见图2)，当FET打开/关闭时，磁芯内存储的能量在回转过程中完全从磁芯中清空。在连续模式下(见图3)，磁芯清空回转能量之前打开FET。典型的回转稳压器可根据负荷和输入电压情况运行于这两种模式下。

设计人员应考虑低电压时的最大负荷，包括回转稳压器运行范围内的所有状况，因为它在循环期间将简单地关闭(简单模式)，并等待负荷需求满足电源传输能力。这是回转变压器的一个动态特征，用于对大范围的输入电压和负荷进行调整。

回转稳压器的设计参数

下列等式通常用于限定回转稳压器的参数。产品遵循以下典型的设计实例。

假设V=Ldi/dt，且Vin,min=(LpIppf)/(δmax)，其中：Vin=输入电压，单位：V；Lp=初级线圈电感，单位：mH；Ipp=峰值电流，单位：A；δmax=最大工作循环，单位：us；f=运行交换频率，单位：Khz；

间断模式

功率输出=0.5*Lp*I2pp*f；Ipp=(2Pout)/(Vin,min*δmax)

在上述回转稳压器中，PWM负责完成调节。如果稳压器Vin,min与Vin,max不同，则：

δmin=(δmax)/((1-δmax)C+δmax)

其中，C=Vin,max/Vin,min

由于Ipp已知，所以：

Lp=(Vin,min*δmax)/(Ipp*f)

尽管设计人员可依赖磁芯选择的经验，但这仅是一个近似值。建议采用以下公式获得更接近的估计结果。

A c *A e =(((6.33*4)*Lp*Ipp*D2)*108)/Bmax

其中：Ac=绕线区域，单位：cm2；Ae =磁芯有效区域，单位：cm2；Bmax=Bsat/2，单位：Gauss。请向磁芯制造商了解材料和损耗以及频率。D=线路的直径，单位是英寸。

回转变压器的气隙必须计算，因为它运行于单端，并且仅使用助焊剂容量的一半。这可能会导致磁芯达到饱和状态。

Gap(cm)=lg =((0.4*π*Lp*I2pp)*10^8)/(Ae*B2max)

确定气隙长度后，可以得到主副旋转数。

Npri=(Bmax*lg)/(0.4*π*Ipp)

Nsec=(Np(Vp+Vd)(1-δmax))/(Vin,min*δmax)

下例表示间断模式下的回转稳压器设计。现代的设计采用PFC(功率因数校正)概念，在校正后立即定位。升压拓扑通常用于其动态特征和大范围的输入电压。本例中没有提到PFC。

设计参数

Vinput=85至132Vac；Voutput=5Vd*10A=50W；频率=100kHz；假设δmax=0.45。

间断模式

1、计算峰值Ipp

由于Vin,min=85Vac，则Vin,min=85*1.4-20V。因为波纹和二极降压管为大约100Vdc，所以：

Ipp=2Pout/(Vin,min*δmax)=100/(100*0.45)=2.22A

2、计算δmin

Vin,max=132Vac*1.4=185Vdc，指定10%的余量，则Vin,max=203Vdc，此处取200Vdc。

对Vin,min指定10%的余量，则Vin,min=90Vdc。

从上可得出输入电压比率C=200/90=2.22，因此δmin=0.45/((1-0.45)*2.22+0.45)=0.27。

从这些结果可以得出，稳压器在Vin范围为200Vdc到90Vdc时，运行的负荷比是0.27至0.45。

3、计算初级线圈电感

Lp=90*0.45/(2.22*100Khz)=0.18mH

4、选择磁芯

在本例中，我们选择电流密度为大约300c.m/A。由于Ipp=2.22A，总c.m为300*2.22=666c.m。从线路图中，22A WG的直径为.028英寸。我们选择Magnetics公司材料类型“P”，并且从目录中选择Bmax=500Gauss。结果得出大约100mW/cm3。

因此，AcAe=(6.33*4)*(.00018)*2.22*(.028) 2*(10^8)/(500)=1.59 cm^4，AcAe=1.60cm^4。

5、计算气隙长度

磁芯中心支路中，lg=(0.4*π*0.00018*(2.22)2*10^8)/(1.37*(500) 2)≈0.30cm。

6、计算主副旋转数

Npri=500*0.30/(0.4*3.14*2.22)=54转Nsec=54*(5+1)(1-0.45)/(90*0.45)=4.4转。

我们使用5转，因为绕线会产生损耗，PCB和其它抛物线损耗未包含在内。接下来选择输出线路。对于10A的情况，10*300=3000cm，我们选择16AWG作为副旋转数。为最大程度降低由于表面效应产生的铜损耗，建议采用多股细线(4股22AWG线路相当于单条16AWG线路)。

设计工程师还必须检查线轴填充因素和温度升高因素，因为安全要求的实施会增大回转稳压器的尺寸。

其它选项：定制回转稳压器

CoEv Magnetics推出了多种SMPS稳压器，以满足客户的需求和要求。定制稳压器用于优化具体应用领域的尺寸、成本和性能，并在开发时考虑了多个参数，包括：旋转率、电流处理能力、激励电平、感应、泄漏感应、自共鸣频率、DC阻抗、安装配置、绝缘电压。