反激式變壓器設計方法講解

反激電源由于體積小、成本低、電路簡單的特點，受到設計者的追捧。很多初學者也選擇了反激變壓器進行設計方面的學習起點和研究對象，但是網(wǎng)絡上關(guān)于反激變壓器的學習資料五花八門且比較零散，本文就將對反激變壓器的設計進行從頭到尾的梳理，將零散的知識進行整合，并配上相應的分析，幫助大家盡快掌握。

設計流程

確認基本技術(shù)參數(shù)

溫馨提示：應該養(yǎng)成良好的工作習慣，不管產(chǎn)品的功率有多么小，技術(shù)多么簡單，堅持為每一個產(chǎn)品制作出一份詳細的技術(shù)規(guī)格書。首先要弄清楚自己是要做一個什么樣子的產(chǎn)品，這會讓設計思路更加明確，以及如何展開下一步的工作。

技術(shù)參數(shù)分兩種：基本的與詳細的。

基本技術(shù)參數(shù)一般需要列舉的如下(以60W產(chǎn)品為例)：

最小輸入電壓：85VAC;

最大輸入電壓：265VAC;

輸出電壓電流：12V5A(精度1%);

最低效率：85%;

工作溫度：-25～+60℃;

詳細的技術(shù)參數(shù)比較麻煩，根據(jù)不同的情況不同，需要列舉的參數(shù)有多又少。一般包括：輸入輸出特性、保護特性、安規(guī)、EMC、可靠性、應用環(huán)境、產(chǎn)品尺寸、輸入輸出端口定義、產(chǎn)品標簽、外殼標簽、產(chǎn)品包裝等等。

輸入輸出特性

輸入電壓范圍、輸入頻率、功率因素、最大輸入電流、沖擊電流、輸出電壓范圍、輸出電流范圍、電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率、穩(wěn)壓精度、紋波峰峰值、整機效率、待機功耗、開機延遲時間、輸出電壓上升時間、容性負載、開關(guān)機過沖幅度、動態(tài)響應時間、動態(tài)響應幅度、以及最小啟動電壓。

保護特性

輸入欠壓保護點、輸入欠壓恢復點、輸入過壓保護點、輸入過壓恢復點、輸出過壓保護點、輸出短路保護方式、過溫保護點、過溫恢復點。

溫馨提示：對于一些非標準產(chǎn)品，如果不清楚該列舉那些參數(shù)，建議參考競爭對手的產(chǎn)品資料或者行業(yè)內(nèi)最有影響力的供應商。如果這些資料都沒有，就盡量向標準產(chǎn)品的技術(shù)指標靠近。

設計思路(制定設計方案與參考計算)

根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格找出設計難點及解決措施

溫馨提示：如果你想最大程度的避免失敗。設計方案應該在立項初期就經(jīng)過廣泛的內(nèi)部討論，到底選用什么方案(如特別功率器件、電容、芯片)，多聽取周圍人的意見，久而久之一定受益匪淺。因為立項前期一般是非正式討論，如果是新手，一定要避免占用別人過多的時間。

開關(guān)芯片選哪家的?EMI電路如何配置?輸入電容取多少?開關(guān)頻率?MOS如何選?二極管?磁芯?輸出電容?好多人在這一步不知如何往下走，下一步將重點分析。

12V5A，通用輸入，標準的配置就是8N60+MBR20100。

需要注意的是，這個參數(shù)不是“算”出來的，因為計算值跟實際情況往往差別非常大，有很大的“彈性”。針對如何選型，首先要考慮的是公司倉庫里有什么，能不能用到。設計產(chǎn)品時，應該是設計的變壓器參數(shù)(電壓電流應力等)來滿足這些元器件的參數(shù)。而不是先設計好變壓器，再去尋找半導體元器件，實際開發(fā)過程和教材上說的是不一樣的。所以，首先要考慮到的是公司目前有沒有合適的物料。不管是工模電感、半導體，還是電解電容，優(yōu)先采用庫存物料會大大縮短開發(fā)周期和減少各種不確定的因素。

因為開關(guān)電源行業(yè)競爭非常激烈，物料選型的第二個原則是：競爭對手選什么?；蛘呤钦麄€行業(yè)目前的“流行趨勢”，也可以理解為大家都這么干。有時候行業(yè)“默認”的做法比第一條原則還要重要。舉個例子，相當一部分工業(yè)產(chǎn)品“不認可”400V的電解電容，都是450V的，也有部分廠家不認可國產(chǎn)的。再例如，PC電源里面的輸入輸出電容、磁芯等永遠都是那么小!但是這不意味著人家是偷工減料，那個行業(yè)都是那樣，不然電腦怎么會那么便宜。中小功率產(chǎn)品絕大部分都是600V的MOS，12V輸出大部分都是100V的二極管等等……

物料(參數(shù))選型的第三個原則，就是查閱半導體公司提供的各種應用文檔、評估板、設計手冊等等。TI、ON、Fairchild、PI、ST、Infineon都有大把技術(shù)文章，而且現(xiàn)在比起前幾年要“友好”很多，都還是中文的，不看可惜了。物料選型時求助于網(wǎng)路，效率應該是最低的。

對于60W這個級別的開關(guān)電源，我們可以采用下面三種輸入電路，修改若干參數(shù)后，前面兩種結(jié)構(gòu)應用在300W以下應該沒有什么問題(需要考慮防雷的場合，輸入端還要加強)。仔細察看這三種結(jié)構(gòu)，會發(fā)現(xiàn)他們有所相同也有所不同，最大的區(qū)別在共模電感配置這一塊。

圖1

注：不管有沒有強制要求，不管PCB板進出線是端子連接還是導線連接，請給L、N、PE等端口做好清晰、正確的絲印。

先從輸入電路①開始，從頭至尾來講一下。

輸入濾波電路也很難進行精確計算。某些看起來并不太科學(或者并不流行)的設計思路，很多時候往往會非常有用。

圖2

F1：保險管的壽命受輸入浪涌電壓和浪涌電流的雙重影響，應該盡可能采用慢恢復型保險管，一般是按照最大輸入電流的兩至三倍選取。AC輸入時，浪涌電壓的影響可能要嚴重些。電池輸入(低壓)，如果輸入端抑制不足，浪涌電流對保險管的影響可能要嚴重些。AC輸入時，在工業(yè)場合，浪涌電壓也遠比民用場合嚴重，這時防雷器件(參數(shù)及結(jié)構(gòu)配置)的設計對保險管的影響尤其突出，必要時還要采用雙(三)保險。相關(guān)設計過程可以參考專門針對防雷電路、浪涌電流抑制電路的設計文獻。單保險管要接在L線上，且玻璃管引線封裝最好增加一層熱縮套管，并且在PCB板上標明容量。

RT1：熱敏電阻的主要作用是抑制輸入浪涌電流，RT1過大，發(fā)熱嚴重。RT1過小，可能會影響到保險管和輸入電解電容的壽命。輸入沖擊電流一般是硬性指標，選擇RT1時一定要仔細的核實最大沖擊電流限制值，如果沒有給出這項要求，可以參考同等功率級別的其他類型產(chǎn)品。在全密封條件下，RT的發(fā)熱可能會非常嚴重。另外，如果產(chǎn)品要求低溫啟動測試，RT阻值會變得相當大，很可能導致產(chǎn)品無法正常起機。

X電容：60W的產(chǎn)品，采用0.47uF的X電容，比較保險。換句話說，30W的產(chǎn)品，應該采用0.22uFX電容，120W的產(chǎn)品采用1uF的X電容。盡管這種方法沒有什么科學依據(jù)，但是確實屢試不爽。如果喜歡比較有挑戰(zhàn)性的工作，那就另當別論了。X電容與Y電容不同，X電容容量大一點也不會讓其他地方變得更加惡劣。在成本不是主要因素的情況下，對自己好一點，多留條活路。另外，在圖2中，絕大部分人并不認可C4作用，此處存在了很大爭議性。

Y電容：Y電容的配置有兩個的，也有四個的;有102的，也有222、472的，有串磁珠的，也有串電阻的，只要EMI都能過，只要泄露電流沒超就都OK.總之五花八門，千奇百怪。這也反映出人們內(nèi)心對于Y電容充滿深深的恐懼。其實Y電容并沒有錯，性能也較為優(yōu)良，罪魁禍首都在于磁性材料(共模電感、變壓器)及接地方式，后續(xù)分析。

MOV1：壓敏電阻的計算方式并沒有統(tǒng)一標準，一旦對實際情況估算錯誤(擊穿電壓偏低)，反而會對產(chǎn)品造成嚴重的危害。在防雷要求不高的民用產(chǎn)品中，一般采用14K471居多，工業(yè)場合一般都在500V以上，如14K511，14K561等等。如果你不了解產(chǎn)品的真實用電環(huán)境(非居民小區(qū)用電)，要盡量避免使用500V以下的壓敏電阻。不同的行業(yè)，采取的防雷措施不盡相同，這一點一定要認真仔細的研究，特別是與多個保險管的配置方面。另外，配置防雷管后，耐壓測試時往往會出現(xiàn)誤動作，這也是讓人頭痛的問題。MOV1需要增加熱縮套管。

DB1：小功率產(chǎn)品，選型比較簡單。從散熱的角度考慮，寬范圍60W產(chǎn)品，整流器的最低規(guī)格不應該低于2A.在成本不苛刻的條件下，一般采用4A即可。

對于某些特殊場合，如存在瞬態(tài)高浪涌電壓，整流器的規(guī)格應該進一步增大。有種情況很少見(但確實有存在)，有部分工程師選擇輸入電解電容時，會選擇超大的容量(可能是量不大，又是自家用)，而浪涌抑制(熱敏)電阻的規(guī)格卻特別小。這時候強大的沖擊電流會對保險管和整流器形成致命的威脅。專業(yè)的電源制造公司不會出現(xiàn)這種情況，而非專業(yè)制造商，在開發(fā)系統(tǒng)配套產(chǎn)品時，由于開發(fā)人員經(jīng)驗不足，又缺乏嚴謹?shù)臏y試規(guī)范，而忽略這些潛在的隱患。

共模電感：上面分別給出了三種配置：

方案①，這種配置比較多。我們經(jīng)?？吹降那闆r是：前級一個￠8～￠16的小磁環(huán)(30～1000uH)，后級采用一個￠20～￠25的大磁環(huán)(15～30mH)，前級作用在高頻，后級低頻，高低搭配剛好合適。

方案②，這種情況也較為常見，前后兩個一模一樣的共模線圈，非常美觀。采用這種配置時，為了保證較好的濾波效果(降低分布電容)，每一級的電感量(匝數(shù))不能太高。這樣不僅會降低共模電感的分布電容，繞制工藝也會相對簡單，而且美觀，就是成本較高。

方案③，一般對EMI要求較低的產(chǎn)品較多使用，低成本EE型共模電感最為常見。部分對成本要求苛刻的產(chǎn)品中，不少人也會采用單個￠18～25左右的磁環(huán)來設計，這需要開發(fā)人員具備足夠的經(jīng)驗及技巧。共模電感的材質(zhì)、形狀、繞制工藝對濾波效果影響較大，而且EMI濾波元件配置與整機結(jié)構(gòu)也有很大的關(guān)系。很多人不知道如何去計算共模電感值，下面是一種參考方法(適用于中小功率)。

100KHZ——30mH

1.0MHZ——3.0mH

10MHZ——300uH

100MHZ——30uH

5.0MHZ——600uH

30MHZ——100uH

在傳導測試時，3*F、1MHZ、5MHZ、20～30MHZ這四個點容易出問題。

注：

1、這種方法，只具有規(guī)律性，而沒有科學性;

2、共模電感的材質(zhì)、形狀、繞制工藝對其濾波效果影響非常大;

3、共模電感不會飽和(對稱繞制)，但會產(chǎn)生較高的浪涌電壓;

4、共模磁環(huán)，最好只繞兩層，在磁環(huán)繞制工藝方面建議多下點功夫;

5、共模濾波的設計原則是如何讓其更有效;

壓敏電阻的計算需要考慮到輸入阻抗(熱敏電阻、差模電感、共模電感)、保險管容量、CIN大小等等多種因素。(特別是很多產(chǎn)品的保險管并不是單純的熔絲，而且壓敏電阻也并不一定是剛好在FUSE之后。而且L-N與L、N-PE測試時，需要分別考慮其影響。)

EMC中的四級只是一個測試標準，沒辦法去量化計算，符不符合要求，應該取決于以下四點：

1、輸出電壓有沒有跌落(保護)現(xiàn)象;

2、產(chǎn)品會不會損壞;

3、保險管是否存在嚴重的損傷;

4、共模電感的飛弧控制措施;

Cin、Vacmin、Vdcmin之間的秘密

85～265VAC輸入，12V5A輸出。

①現(xiàn)實情況：選擇100uF/400V的電解電容，估計不會引起太大爭議。

②3uF/W法則：3uF~60W=180uF，考慮到效率因素，選擇220uF.

由于Ton、Ae、Bac都可以輕松計算出來(如果定義為已知量)，那么，Np的大小，完全是由Vdcmin決定的。很明顯，此時Vdcmin也決定了LP的大小。而很多人的計算流程關(guān)于Vdcmin的描述比較簡單，估計是受教科書的影響，準確來說是沒有真正理解。

假設環(huán)境溫度25℃，60W輸出，85%的效率，Vdcmin計算值如下：

(Vdcmin受多種因素影響，下面的數(shù)據(jù)是采用PI公司的電子數(shù)據(jù)表格計算出來的，僅供參考)

經(jīng)典、權(quán)威教材無一例外的提到：Vdcmin=Vacmin~1.414，實際情況并非如此，那么問題出在哪里?可以肯定的是，這些教材在Vdcmin計算問題上，犯錯的可能性較小。好多人設計產(chǎn)品時，不假思索的引用Vac*1.414，而從來不顧慮到Cin容量的大小。

Vdcmin=Vacmin~1.414

成立的前提條件是——必須定義合理的紋波電壓百分比。(紋波電壓百分比=Vdcmax-Vdcmin/Vdcmax;Vdcmax=Vacmin*1.414)

換句話稅，Cin必須滿足Vdcmin，否則公式不成立。這也是Cin在寬范圍輸入時選取3uF/W，窄范圍輸入選取1uF/W的由來。說句題外話，很多12V5A的適配器，采用100uF的電解電容，但是其輸入電壓范圍卻是100～265VAC，會是這個原因嗎?

Cin選取法則：

1、寬范圍輸入3uF/W，窄范圍輸入1uF/W;

2、寬范圍輸入，確保紋波電壓不高于15%(即保證Vdcmin≈100V);

窄范圍輸入，確保紋波電壓不高于20%(即保證Vdcmin≈200V);

3、如果Vdcmin不足，增大Cin容量，直至紋波電壓滿足要求;

4、如果考慮到壽命因素，Cin需要在此基礎上進一步增大;

5、Cin的容量受低溫的影響非常明顯，此時Cin需要在此基礎上進一步增大;

6、Cin也有紋波電流限制的要求，但關(guān)注較少。

7、如果不曉得如何計算Vdcmin，也沒有安裝軟件，那就拿起示波器去實測吧!要求低溫工作時，更應該如此。