本篇文章主要介紹一下Flyback變壓器設(shè)計的全過程，大家好好學(xué)習(xí)一下吧！

一、輸入條件

最大輸入電壓Vinmax：310V

最小輸入電壓Vinmin：110V

第一路輸出電壓Vo1：5V

第一路輸出二極管壓降VD1：0.7V

第一路輸出電流Io1：0.5A

第二路輸出電壓Vo2：12V

第二路輸出二極管壓降VD2：0.7V

第二路輸出電流Io2：5A

開關(guān)頻率fs：70kHz

效率η：0.88

輸出電流紋波Krp[1]：0.4

最大占空比Dmax[2]：0.45

填充系數(shù)Ku：0.2

最大磁通密度Bmax：0.3T

電流密度J：6A/mm^2

[1]這個值是針對CCM模式，如果Flyback完全工作在DCM模式則Krp=1。

[2]為什么在Buck、Boost和Buck-Boost電感中占空比可以直接計算，而Flyback需要預(yù)先確定？根據(jù)Flyback的工作原理，Vo/Vin=(Ns/Np)*D(1-D)。在不知道匝比的情況下就需要先確定占空比。其實在設(shè)計過程中分?jǐn)?shù)匝常常涉及取整，從而導(dǎo)致匝比的變化，匝比的變化又會影響最大占空比。所以Flyback變壓器的設(shè)計有時候需要迭代。至于這個最大占空比為什么預(yù)先設(shè)定為0.45？這個后邊再說吧。

二、計算過程

1.計算峰值電流及原副邊電流有效值

在計算之前再說明一下為什么要計算電流峰值和電流有效值。電流峰值對應(yīng)著磁通密度最大值，以此確定磁芯是否飽和；電流有效值是用于粗略的估算線規(guī)的，確定導(dǎo)線的線徑。這里也順便推導(dǎo)了一下原副邊繞組里的電流波形，一方面能更方便的利用軟件計算有效值，一方面以后進行繞組優(yōu)化設(shè)計的時候需要對繞組電流波形進行傅里葉分解。要不一直蹭蹭算，不知道為啥算也挺憋屈的。

a. 輸入平均電流

Idc=(Vo1*Io1+Vo2*Io2)/(η*Vinmin)

Idc=0.625A

b. 峰值電流計算

(1) 原邊電流峰值及電流波形

Flyback變壓器原邊電流波形及函數(shù)如下，

圖1 Flyback變壓器原邊電流波形及函數(shù)關(guān)系

圖1中原邊電流平均值為Idc，梯形波電流中心值為Ia，二者關(guān)系如下：

由上式可計算原邊梯形波中心值，

Ia=Idc/Dmax=1.389A

原邊電流紋波系數(shù)與之前一樣，

△I=Krp*Ia=0.556A

原邊梯形波中心值與原邊峰值電流的關(guān)系，

Ipk=Ia+△I/2=1.514A

將梯形波中心值、紋波電流、最大占空比和頻率代入圖1中的函數(shù)即可得到原邊電流波形。

圖2 Flyback變壓器原邊Np電流波形

(2) 副邊電流峰值及電流波形

副邊電流波形的推導(dǎo)與原邊電流波形類似。不同的是在0~Ton內(nèi)，副邊電流為零；在Ton~T內(nèi)，副邊電流線性下降。

副邊1電流平均值為：

Idc_s1=Io1=0.5A

副邊1梯形波中心值：

Ia_s1=Idc_s1/(1-Dmax)=0.182A

副邊1電流紋波系數(shù)與之前一樣，

△I_s1=Krp*Ia_s1=0.073A

副邊1梯形波中心值與副邊1峰值電流的關(guān)系，

Ipk_s1=Ia_s1+△I_s1/2=0.219A

由（Ton,Ipk_s1)和（T,Ipk_s1-△I_s1)即可確定副邊1的電流波形。

圖3 Flyback變壓器副邊Ns1電流波形

同理可計算副邊2的相關(guān)電流。

副邊2電流平均值為：

Idc_s2=Io2=5A

副邊2梯形波中心值：

Ia_s2=Idc_s2/(1-Dmax)=9.091A

副邊2電流紋波系數(shù)與之前一樣，

△I_s2=Krp*Ia_s2=3.636A

副邊2梯形波中心值與副邊2峰值電流的關(guān)系，

Ipk_s2=Ia_s2+△I_s2/2=12.727A

由（Ton,Ipk_s2)和（T,Ipk_s2-△I_s2)即可確定副邊2的電流波形。

圖4 Flyback變壓器副邊Ns2電流波形

c. 電流有效值計算

其實原副邊電流有效值可以直接在MathCAD中對波形進行積分計算，這樣就不用關(guān)注中間的計算細(xì)節(jié)。當(dāng)然，下面也詳細(xì)說明一下電流有效值的計算公式。

根據(jù)有效值定義，

將Dmax、Ia及△I代入上式，可得原邊電流有效值

Iprms=0.932A

同理，可得副邊電流有效值

Is1rms=0.135A

Is2rms=6.742A

2. 計算感量

電感感量：

L=(Vinmin*Dmax)/(f*?I)

L=1272uH

3. 計算交流磁通密度

電感感量：

Bac=((△I/2)/Ipk)*Bmax

Bac=0.055T

4. AP法選磁芯

AP值：

AP_cal=[(1+η)*Vinmin*Iprms*Dmax]/(Ku*Jc*f*2Bac)

AP_cal=9376mm^4          

磁芯選取：PQ2625

磁芯有效截面積:

Ae=120mm^2

磁芯窗口面積:

Aw=84.5mm^2

磁芯有效磁路長度:

le=55.5mm

磁芯體積:

Ve=6530mm^3

磁芯AP值:

AP_core=10140mm^4

5. 變壓器變比

變壓器變比理論值Np:Ns1：

n_cal=(Vinmin*Dmax)/((Vo1+VD1)*(1-Dmax))

n_cal=15.79

變壓器變比理論值Np:Ns2：

n_cal=(Vinmin*Dmax)/((Vo2+VD1)*(1-Dmax))

n_cal=7.09

這里計算出來的變比只是理論值，不用考慮在這種變比下原副邊匝數(shù)是多少。因為在繞組匝數(shù)計算過程中涉及到取整，所以變比會稍微調(diào)整。

6. 匝數(shù)計算

原邊匝數(shù)計算：

Np_cal=(Vinmin*Dmax)/(fs*2Bac*Ae)

Np_cal=53.53

副邊1匝數(shù)計算：

Ns1_cal=((Vs1+VD1)*(1-Dmax))/(fs*Ae*2Bac)

Ns1_cal=3.39

取整之后Ns1=3

副邊2匝數(shù)計算：

Ns2_cal=((Vo2+VD2)*Ns1)/(Vo1+VD1)

Ns2_cal=6.68

取整之后Ns2=7

副邊匝數(shù)取整之后再復(fù)算原邊匝數(shù)

Np_cal=Ns1_actual value*n

Np=47.37

取整之后Np=47

7. 最大占空比核算

在設(shè)計之初，是先設(shè)定一個最大占空比，然后確定匝比等其他參數(shù)。在匝數(shù)計算過程中會有取整，所以匝比會有調(diào)整，所以這里會核算針對所設(shè)計的變壓器真實的最大占空比。

真實的匝比Np：Ns1

n=Np/Ns1

n=15.67

實際的最大占空比：

Dmax=(n*Vo1)/(n*Vo1+Vin)

Dmax=0.416

到此針對特定磁芯、特定繞組匝數(shù)及特定輸入輸出條件的最大占空比就確定了，那么有一個問題，就是之前的計算都是基于預(yù)設(shè)的最大占空比計算的，其實這并不影響變壓器的設(shè)計，只需要把電流和感量迭代一次就好。

8. 最大磁通密度核算

根據(jù)法拉第感應(yīng)定律，最大占空比的變化會影響交流磁通密度的變化，從而影響最大磁通密度的變化。所以，當(dāng)磁芯，匝數(shù)，最大占空比都確定后一定需要再次確認(rèn)最大磁通密度，確保磁芯不會飽和。

交流磁通密度計算：

Bac=(Vinmin*Dmax)/(f*2Np*Ae)

Bac=0.058T

最大磁通密度計算：

Bmax=Bac/((△I/2)/Ipk)

Bmax=0.316T

接下來就需要確認(rèn)線規(guī)、填充系數(shù)和氣隙了，這個跟之前的計算方法相同，就不再詳細(xì)說明了。

三、輸出結(jié)果

磁芯尺寸：PQ2625

磁芯材料：DMR95或同等材料

原邊繞組匝數(shù)：47

副邊1繞組匝數(shù)：3

副邊2繞組匝數(shù)：7

電感感量：1272uH

最大磁密：0.316T

反激變換器常常應(yīng)用在輔助電源中，且變壓器一般會有多個繞組輸出，而多繞組輸出就會有交叉調(diào)整率的問題，下次就說說交叉調(diào)整率這個問題。