如何為隔離式Buck DC-DC轉換器選擇變壓器?

本文討論了如何為iso buck轉換器選擇變壓器，以及為什么我們使用MAX17682和MAX17681的數(shù)據(jù)手冊中的簡化公式。 它還介紹了隔離式BUCK DC-DC轉換器的基本工作原理。

選擇變壓器似乎是設計隔離式BUCK DC-DC轉換器的過程中最關鍵步驟。 本文將討論隔離式BUCK DC-DC轉換器的工作原理，選擇變壓器時應重點關注哪些參數(shù)，這些參數(shù)如何影響選擇變壓器以及所選變壓器如何影響電路參數(shù)。

隔離式BUCK DC-DC轉換器如何工作？

就像BUCK轉換器一樣，下圖向我們展示了ISO降壓拓撲。 顯然，通過用變壓器代替BUCK電路中的電感器，我們可以獲得一個隔離式BUCK轉換器。 變壓器次級側具有獨立的地。

Figure 1 Iso-Buck Topology

在導通時間（Ton）內，高側開關（QHS）接通，低側開關（QLS）斷開。 變壓器勵磁電感LPRI被充電。 圖中的箭頭顯示了電流的流向。 初級電流線性增加。 電流隨時間變化的斜率取決于（Vin-Vpri）和Lpri。 在此時間間隔內，次級側二極管D1被反向偏置，負載電流從COUT流向負載。

Figure 2 On Period Equivalent Circuit

在關斷時間（Toff）內，QHS關閉并且QLS打開。 初級電感器放電。 初級側電流從QLS流到到初級側地，D1此時被正向偏置，次級側電流從次級側線圈流到到輸出電容和負載。 在這段時間內輸出電容被充電。 （關閉QHS并打開QLS不能改變電流方向，它改變了電流斜率。正電流減小到0A，然后負電流增大。）

Figure 3 Off Period Equivalent Circuit

哪些參數(shù)會影響變壓器的選擇？

當設計電源時，一些參數(shù)和規(guī)格應該被明確。 這些參數(shù)將決定外圍器件（如輸入電容，取樣電阻等）的選型，尤其是變壓器。

輸入電壓范圍 INPUT VOLTAGE RANGE

輸出電壓OUTPUT VOLTAGE

最大占空比MAX DUTY CYCLE

開關頻率SWITCH FREQ

輸出電壓紋波OUTPUT VOLTAGE RIPPLE

輸出電流OUTPUT CURRENT

輸出功率OUTPUT POWER

我們通常將最大占空比（D）分配為0.4到0.6。 最小輸入電壓（VIN_MIN）和最大占空比將決定初級側輸出電壓（VPRI）。初級輸出電壓和輸出電壓（VOUT）確定變壓器匝數(shù)比。

輸出電流（IOUT）和輸出功率（POUT）可能是影響變壓器選擇的最關鍵的參數(shù)。輸出電流將決定至少應使用多粗的銅線。輸出功率將決定應使用哪種變壓器骨架。骨架的磁導率表明了它可以存儲多少能量，從而可以輸出多少能量。通常，我們使用直流負載電流乘以一個系數(shù)來指定電感器（變壓器）的紋波電流。占空比和開關頻率將告訴我們TON時間，借助VIN和VPRI以及紋波電流，我們可以確定初級側電感值。系數(shù)不應分配得太大或太小。較大的系數(shù)會導致較大的紋波電流。大的紋波電流可能會超出H橋電流限值，這可能會損壞MOSFET，并且由于輸出電容的ESR和ESL，大的紋波電流會在輸出電容器上導致較大的紋波電壓。相反，當我們想要極小的紋波電流時，我們的計算會得到一個大電感值的電感器（變壓器），它將是一個大骨架和內部具有大量繞組的線砸，并且大電感將限制環(huán)路帶寬并降低動態(tài)響應指數(shù)。

選擇變壓器

顯然，能量僅在關斷時間內傳輸?shù)酱渭墏取?所以，匝數(shù)比可以通過以下公式確定：

其中VD是次級二極管的正向偏置電壓。 對于Vpri，我們通常將最大占空比分配在0.4到0.6的范圍內。 Vpri可以通過以下公式計算：

其中D是最大占空比，Vin_min是最小輸入電壓。 從上面的討論中，我們就可以計算匝數(shù)比了。 作為非隔離 buck轉換器，電感器兩邊的紋波電流相等。 輕松地，我們可以按以下在Ton時間的電感特性公式計算所需的電感值：

其中，f為開關頻率，ΔI為紋波電流。 正如我們所說，紋波電流是直流負載電流乘以一個系數(shù)：

K是系數(shù)。 但是在隔離 buck轉換器拓撲中，這里是一個變壓器，而不是電感器。 我們該如何處理？ 我們知道變壓器兩側的電流和匝數(shù)成反比：

其中Ipri_toff是次級側電流在Toff時間內轉換為初級測的等效電流，需要注意的是次級側線圈僅在Toff時間內輸出電流。 也許我們可以將兩者電流相加作為等效的電感器（等效）電流。

其中ILeq是等效電感電流。 如果變壓器還有3個繞組，

這正確嗎？ 我們來看看基于MAX17682的仿真結果。 以下截圖是在SIMPLIS中繪制的MAX17682典型電路。 電流探頭已放置在變壓器的兩側，分別稱為IPRI和ISEC1。

Figure 4 MAX17682 Typical Circuit in SIMPLIS

下面的屏幕截圖是這兩個探頭的瞬態(tài)仿真結果。 我根據(jù)上述方程式添加了這兩個電流波形的和。

Figure 5 MAX17682 Typical circuit simulate current waveform

顯然，電流相加的結果（青色）是三角波，就像非隔離BUCK轉換器中的電感器一樣。 因此，可以很容易地計算出變壓器的初級側ΔI：

通常，我們將負載電流紋波分配為直流輸出電流的0.2倍。 因此，可以將K分配為匝數(shù)比乘以0.2。 同時，初級峰值電流應保證小于開關限制。 峰值電流Ipk如下：

而后可以很容易地計算出所需變壓器的初級側電感值：

通過使用這些參數(shù)，如匝數(shù)比、初級電感、輸出功率、輸出電流、隔離電壓，我們可以決定選擇使用哪個電感器。

為什么Maxim的簡化公式可以使用？

首次使用MAX17682數(shù)據(jù)手冊時，您可能會懷疑。 手冊向我們展示了一個如下屏幕截圖的公式。 在度量單位上似乎甚至是錯誤的。 我們如何看待這個方程式？ 我們如何理解它？

Figure 6 MAX17682 datasheet shot

根據(jù)以上討論，等式（10）可以在TOFF時間內重寫為以下等式。

我們假設D為0.6，當且僅當ΔI為0.4A多項式（1-D）和ΔI可以被約分，則等式（11）和數(shù)據(jù)表中的等式相同。 顯然，數(shù)據(jù)手冊中的公式已經選擇了初級紋波電流。 如果我們給D分配0.6，則初級紋波電流為0.4A。 在數(shù)量上，TOFF占空比等于初級紋波電流。